一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料及其制备方法和应用，包括高分子滤层材料、以及形成在高分子滤层材料表面的由石墨烯、氧化石墨烯中至少一种与植物纤维自组装的三维多孔结构层，所述植物纤维为思茅松、亚麻、针叶、竹纤维、蔗渣纤维、胡麻、纤维素纤维中的至少一种；优选地，所述石墨烯包括三维石墨烯、少层石墨烯中的至少一种。

A plant fiber self-supporting graphene haze-proof filter material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种植物纤维自支撑的石墨烯防霾滤层材料及其制备方法和应用，属于雾霾防止领域。
技术介绍
随着现代工业的发展，环境污染变得日益严重，大气污染作为环境污染的一部分对人类的身体健康产生了严重的威胁。大气污染的一个产物便是雾霾。雾霾产生的原理很复杂，其化学组成和结构也很复杂。雾霾的主要危害成分便是PM2.5，它是指尺寸在2.5微米及其以下的存在于大气中的固体颗粒物，其可直接进入人体支气管和肺泡引发支气管炎和哮喘，进入血液循环引发充血性心力衰竭和心脏病，同时PM2.5微尘含多种有毒有害物质，能引起人体中毒，引发肺癌发病率，而且可影响胎儿发育等，对人类社会造成极大的危害。口罩尤其是能够阻隔PM2.5颗粒的防霾口罩是一种保护人类健康的有效手段。然而目前市场上大多数口罩不能有效的阻挡PM2.5，而且佩戴一段时间便会产生异味，影响整体舒适感。石墨烯是一种由碳原子构成的六边形蜂窝状二维材料，其理论比表面积(2630m2/g)，而带有功能化基团的石墨烯可组装成三维多孔石墨烯结构，具有较好的吸附性能和阻挡微小颗粒的能力。然而目前构建三维石墨烯的方法多采用模板辅助CVD法或者水热还原法，制备成本较高，工艺复杂，且制备的材料力学强度差，不利于大范围实际使用。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种具有高效的PM2.5过滤效率，且不影响呼吸阻力，同时还能自动清除异味，价格低廉，工艺简单的防霾口罩滤层材料及其制备方法和应用。一方面，本专利技术提供了一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料，包括高分子滤层材料、以及形成在高分子滤层材料表面的由石墨烯、氧化石墨烯中至少一种与植物纤维自组装的三维多孔结构层，所述植物纤维为思茅松、亚麻、针叶、竹纤维、蔗渣纤维、胡麻、纤维素纤维中的至少一种；优选地，所述石墨烯包括三维石墨烯、少层石墨烯(例如，微波还原氧化石墨烯、物理剥离低缺陷石墨烯)中的至少一种。本专利技术选用的植物纤维(例如，思茅松、亚麻、针叶、竹纤维、蔗渣纤维、胡麻、纤维素纤维等)具有多种含氧官能团(例如，羟基、羧基、羰基、环氧基团、醚基、酯基、有些还含有酰胺基团等)，通过纤维表面基团的氢键、范德华力等共同作用，纤维自身便可在高分子滤层上组装成一定程度的三维多孔结构(类似于造纸过程)，同时氧化石墨烯表面的含氧基团(羧基、羟基、羰基、环氧基)等的存在，也可与纤维相互作用而在纤维表面组装，且石墨烯或和氧化石墨烯的片状结构有利于PM2.5的隔离。其中三维石墨烯结构本身便含有多孔结构，其可与纤维骨架共同构建更加丰富的孔道，进而阻挡PM2.5微小颗粒。总之，植物纤维的引入既可以起到支撑石墨烯、三维石墨烯或/和氧化石墨烯，防止其团聚，同时还可引入多级孔结构，具有极大孔隙率，极好的吸附和过滤效果，在雾霾防护领域具有极大的实际应用价值。此外，植物纤维还可以与特定结构石墨烯通过氢键、范德华力等作用而相互连接，稳固其结构，防止石墨烯或/和氧化石墨烯的脱落。此外，特定结构的三维石墨烯还包括水热和CVD法制备的三维多孔结构，其与纤维可以共同构建更加丰富的孔道结构。较佳地，所述植物纤维的质量与石墨烯或/和氧化石墨烯质量之比为3:1～1:5，优选为1:1～1:4。纤维含量过高会引起纤维堆叠较致密，孔较小，进而导致呼吸阻力上升。纤维过少，不能起到支撑和固定石墨烯片的作用。较佳地，所述三维多孔结构层的厚度为50～300μm。较佳地，所述高分子滤层材料为聚丙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟氯乙烯中的至少一种，优选为聚丙烯无纺布或聚丙烯熔喷布。本专利技术选用这类高分子材料的原因是由于这类材料稳定性较好，随后的一些处理，不会对这类材料的结构造成影响。所述高分子滤层材料的厚度为80-150μm。较佳地，在所述高分子滤层材料和三维多孔结构层之间还包括粘结剂层，所述粘结剂层由高分子粘结剂干燥后得到，所述高分子粘结剂的原料组分包括高分子聚合物基础组分、增稠剂、调节剂、交联剂、引发剂和溶剂；所述高分子聚合物基础组分包括聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯中的至少一种，所述增稠剂包括魔芋葡甘聚糖、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧化壳聚糖中的至少一种，所述调节剂包括丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺中的至少一种，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵和偶氮二异丁脒盐酸盐V-50中的至少一种，所述交联剂为N-N亚甲基双丙烯酰胺；其中按重量计，所述粘结剂的原料组分中，高分子聚合物基础组分的含量为10～50wt％，增稠剂的用量为高分子聚合物基础组分的1～20wt％，调节剂用量为高分子聚合物基础组分的1～10wt％，交联剂的用量为高分子聚合物基础组分的0～20wt％，引发剂的用量为高分子聚合物基础组分的0～1wt％，余量为溶剂。所述溶剂包括去离子水、无水乙醇、丙酮、石油醚中的至少一种，优选为去离子水。其中高分子粘结剂中含有多种含氧官能团(包含羧基、羟基、环氧基、酰胺基等特定官能团)，可与表面含有功能化基团(羧基、羟基、环氧基等)石墨烯或/和氧化石墨烯通过氢键或范德华力进行组装而构建局部多孔结构，以使得氧化石墨烯、石墨烯、三维石墨烯更好的与高分子滤层材料粘结起来。同时，高分子粘结剂干燥后可行成类凝胶结构，还具有一定的除味和防止特定结构石墨烯片脱落的功能。另一方面，本专利技术还提供了一种如上所述的植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料的制备方法，包括：将植物纤维分散于含有石墨烯、三维石墨烯或/和氧化石墨烯的溶液中后，得到混合溶液：将所得混合溶液喷涂在高分子滤层材料表面，再经干燥，得到所述植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料。较佳地，所述含有石墨烯或/和氧化石墨烯的溶液的浓度为0.5～15mg/ml，所述植物纤维的用量为含有石墨烯或/和氧化石墨烯的溶液总质量的0.1～50wt％，优选为0.1～20wt％，更优选为0.1～10wt％。较佳地，所述喷涂的参数包括：喷涂速率50～200ml/分钟。连续生产时，喷枪一直开启，直至一批产品生产完成。较佳地，所述干燥的温度为60～120℃，时间为1～30分钟。再一方面，本专利技术还提供了一种包括上述植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料的口罩。本专利技术的有益效果：将植物纤维与特定结构石墨烯自组装构建局部三维多级孔结构，即可实现高效阻挡PM2.5，达到防霾目的，且通过调节加入的植物纤维的种类、浓度以及调整特定结构石墨烯浓度、干燥温度等来调整孔的尺寸，孔的疏密进而控制PM2.5过滤效率及口罩呼吸阻力，实现高效防霾除味口罩的制备。该工艺简单易行，对设备要求较低，PM2.5过滤效率可达99％以上，滤阻低至80-130Pa，可实现大规模推广生产。附图说明图1a表示实施例1制备的1mg/ml石墨烯+1mg/ml纤维的植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料的实物图，从图中可以看出石墨烯均匀的分散于滤层材料表面，由于浓度较低，因而颜色较淡；图1b表示实施例2制备的2mg/ml石墨烯+1mg/ml纤维的植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料的实物图，从图中可以看出石墨烯均匀的分散于基底材料上，石墨烯浓度提升，颜色加深；图1c表示实施例3制备的4mg/ml石墨烯+1mg/ml纤维的植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料的实物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料，其特征在于，包括高分子滤层材料、以及形成在高分子滤层材料表面的由石墨烯、氧化石墨烯中至少一种与植物纤维自组装的三维多孔结构层，所述植物纤维为思茅松、亚麻、针叶、竹纤维、蔗渣纤维、胡麻、纤维素纤维中的至少一种；优选地，所述石墨烯包括三维石墨烯、少层石墨烯中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料，其特征在于，包括高分子滤层材料、以及形成在高分子滤层材料表面的由石墨烯、氧化石墨烯中至少一种与植物纤维自组装的三维多孔结构层，所述植物纤维为思茅松、亚麻、针叶、竹纤维、蔗渣纤维、胡麻、纤维素纤维中的至少一种；优选地，所述石墨烯包括三维石墨烯、少层石墨烯中的至少一种。2.根据权利要求1所述的植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料，其特征在于，所述植物纤维的质量与石墨烯或/和氧化石墨烯质量之比为的3:1～1:5，优选为1:1～1:4。3.根据权利要求1或2所述的植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料，其特征在于，所述三维多孔结构层的厚度为50～300μm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料，其特征在于，所述高分子滤层材料为聚丙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟氯乙烯中的至少一种，优选为聚丙烯；优选地，所述高分子滤层材料的厚度为80～150μm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料，其特征在于，所述高分子滤层材料和三维多孔结构层之间还包括粘结剂层，所述粘结剂层由高分子粘结剂干燥后得到，所述高分子粘结剂的原料组分包括高分子聚合物基础组分、增稠剂、调节剂、交联剂、引发剂和溶剂；所述高分子聚合物基础组分包括聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯中的至少一种，所述增稠剂包括魔芋葡甘聚糖、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，孙甜，王森，丁卫，冯炫凯，于刘涛，刘战强，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31