一种催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物的制备及应用制造技术

技术编号:24248744 阅读:143 留言:0更新日期:2020-05-22 22:10
一种催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物的制备及应用,属于防化领域。以石墨烯纤维为载体,在纤维表面溶剂热合成金属有机框架(MOFs)纳米颗粒,其中石墨烯纤维直径为20~100μm,MOFs催化剂为UiO‑66‑NH

Preparation and application of graphene composite fiber nonwovens for catalytic degradation of neurochemical agents

【技术实现步骤摘要】
一种催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物的制备及应用
:本专利技术涉及一种超快速催化降解神经性化学战剂的具有光热增强效应的石墨烯复合纤维无纺织物的制备方法及应用,属于防化领域。
技术介绍
:含有磷酸酯键的高毒性神经类化学战剂(ChemicalWarfareAgents,CWAs),如塔崩(GA),沙林(GB),梭曼(GD)及维埃克斯(VX),其特点在于毒性强、作用快,可通过接触或呼吸对人体产生毒害作用。尽管国际上已禁止使用化学武器,但仍有大量化学武器被制备,成为全球的威胁。目前,使用活性炭作为材料吸附化学战剂的中间层或涂层是主要的防护策略。例如,中国专利文献CN107584824A公开了一种多功能透气式防毒服及其制备方法,可有效吸附CWAs分子,但无法起到消解化学战剂的作用,可能产生二次污染的威胁。因此,需要研究能消解神经毒剂的复合材料,以达到化学防护作用。因此,设计并开发具有吸附和催化降解神经毒剂的新型化学防护材料迫在眉睫。CN101622195A公开了一种金属氧化物纤维和纳米纤维、其制备方法和其用途,应用于化学战剂和其他有毒化学物质的吸收和分解。相比于活性炭,金属氧化物纤维的比表面积更大,能够起到一定的化学防护作用,但对CWAs的消解作用较为缓慢,与本专利技术存在明显不同。CN108559100A公开了一种金属离子引导羧酸配体官能化多酸化合物及其制备方法与催化降解神经性化学战剂的应用,所制多酸杂化化合物粉末可实现对氰基磷酸二乙酯的催化水解,但仍未达到较为理想的催化降解速率,且粉末催化剂在实际应用中非常受限,与本专利技术存在明显不同。CN109261212A公开了一种多铌氧簇-双金属氢氧化物复合物、制备及其非均相催化降解化学战剂类似物的方法,其层状镁铝双金属氢氧化物、层架多铌氧簇阴离子和层间水分子可实现对神经毒剂沙林的最佳模拟物氯代磷酸乙酯的催化水解作用,但其较低的比表面积、吸附容量以及较少的活性位点,限制了其在化学防护材料中的应用,与本专利技术存在明显不同。金属有机框架(MOFs)作为一种结晶多孔材料,在催化降解化学战剂领域引起了极大关注。CN108310982A公开了一种化学战剂自消毒金属-有机骨架纤维滤膜及其制备方法,自支撑的MOFs纤维膜结构在一定程度上可降低MOFs纳米颗粒的团聚现象,并表现出一定的催化降解性能,UiO-66-NH2纤维膜催化降解神经毒剂梭曼的最佳模拟物二甲草醚的半衰期为2.4min,但其纤维膜制备方法相对复杂,使其在实际应用中受到限制,与本专利技术存在明显不同。CN109603910A公开了一种光热增强降解化学战剂模拟物的纳米核壳复合物及其复合纤维膜的制备方法与应用,在近红外激光作用下,提升了多巴胺@UiO-66-NH2复合纤维膜对二甲草醚的催化降解,最快降解半衰期为1.8min,但其多巴胺@UiO-66-NH2复合纤维织物内部的MOFs催化活性位点不能得到充分利用,与本专利技术存在明显不同。综上所述,开发高效且活性位点利用率高的消解化学战剂的防护材料仍然是一项重要挑战。本专利技术所提供的超快速催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物,其特征在于,采用简易的湿法纺丝及后续的真空抽滤制得具有快速光热转换效能的石墨烯纤维无纺织物,通过在纤维表面溶剂热合成MOFs纳米颗粒,制得能快速消解神经毒剂的石墨烯复合纤维无纺织物。在光照条件下,利用石墨烯纤维优异光热转换效能和广谱吸附能力,实现对神经性化学战剂的超快速催化降解,最快降解半衰期可达1.6min,并能在20min之内几乎完全降解,体现出优异的快速消解神经毒剂的能力,在化学战剂的催化降解领域中占据较强的竞争优势。本专利技术为化学战剂防护材料的设计提供了可行的策略,在防化领域具有巨大的应用前景。
技术实现思路
:本专利技术为克服高效化学防护材料繁复的制备工艺,复合体系中MOFs催化剂利用率低等问题,以达到快速催化降解神经性化学战剂的目的,提供了一种超快速催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物的制备方法及应用,其特征在于,MOFs催化剂原位生长在具有优异光热转换效能的石墨烯纤维表面,构成具有快速消解作用的石墨烯复合纤维无纺织物。本专利技术所制的复合纤维无纺织物,在光照条件下,可将所吸收的光能快速转换为热能,有效提高体系中局部环境的温度,进一步提升催化降解神经性化学战剂的反应速率和转化率。本专利技术的技术方案如下:一种超快速催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物,以具有优异光热转换效能的石墨烯纤维无纺织物为载体,采用湿法纺丝和后续真空抽滤的方法,通过在纤维表面溶剂热合成MOFs纳米颗粒,制得具有超快速催化降解神经毒剂的石墨烯复合纤维无纺织物。其中,氧化石墨烯纤维无纺织物中石墨烯纤维直径为20~100μm,MOFs催化剂为UiO-66-NH2,颗粒尺寸为50~400nm,复合纤维无纺织物为石墨烯@UiO-66-NH2(GF@UiO-66-NH2),厚度为50~300μm;石墨烯@UiO-66-NH2中UiO-66-NH2的负载量为8~34wt%。本专利技术中的GF@UiO-66-NH2复合纤维无纺织物的制备流程示意图、数码照片和不同放大倍数的扫描电子显微镜图片分别如图1和2所示。具体制备过程包括以下步骤:(1)石墨烯纤维无纺织物的制备以氧化石墨烯水分散液为纺丝原液,采用连续湿法纺丝的方法,制得氧化石墨烯纤维,室温静置,真空干燥;将干燥后的纤维分散于乙醇水溶液中,采用高速剪切搅拌的方法,将其切碎为短纤维,长度为1~7mm,制得短纤维乙醇水分散液,真空抽滤,室温干燥,然后制备氧化石墨烯纤维无纺织物,将氧化石墨烯纤维无纺织物部分还原制得石墨烯纤维无纺织物;(2)复合纤维织物的制备称取适量锆盐和有机配体2-氨基对苯二甲酸分别溶于N,N-二甲基甲酰胺中,并充分混合,加入调节剂,搅拌均匀;选用步骤(1)制得的石墨烯纤维无纺织物浸泡于上述混合液中,室温静置,使石墨烯织物充分吸附混合液中的锆离子;将上述体系置于反应釜中进行溶剂热合成反应,制得GF@UiO-66-NH2复合织物,用N,N-二甲基甲酰胺冲洗三次,进一步浸泡于无水乙醇中进行溶剂交换;真空干燥,即得具有超快速催化降解功能的石墨烯复合纤维无纺织物。优选步骤(1)所述的氧化石墨烯水分散液的浓度为5~30mg/mL,部分还原氧化石墨烯纤维无纺织物的用量为20mg。步骤(1)所述的纺丝过程选用KOH、NaOH、CaCl2、CuSO4盐溶液中的一种或两种为凝固浴,浓度为5~20wt%。步骤(1)所述的氧化石墨烯纤维室温静置时间为8~24h,真空干燥时间为2~24h,干燥温度为20~100℃。步骤(1)所述的氧化石墨烯干燥后的纤维的乙醇水分散液中乙醇与水的体积比为1:(0.34~3)。步骤(1)中部分还原氧化石墨烯纤维无纺织物所选用的还原剂为氢碘酸、水合肼、抗坏血酸、硼氢化钠,还原剂用量与氧化石墨烯纤维无纺织物的用量质量比为1:1,在室温条件下,还原时间为6~12h,控制还原剂的用量和反应时间使得氧化石墨烯纤维无纺本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种超快速催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物,其特征在于,以石墨烯纤维为载体,通过在纤维表面溶剂热合成MOFs纳米颗粒,氧化石墨烯纤维无纺织物每根石墨烯纤维直径为20~100μm,MOFs催化剂为UiO-66-NH

【技术特征摘要】
1.一种超快速催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物,其特征在于,以石墨烯纤维为载体,通过在纤维表面溶剂热合成MOFs纳米颗粒,氧化石墨烯纤维无纺织物每根石墨烯纤维直径为20~100μm,MOFs催化剂为UiO-66-NH2,颗粒尺寸为50~400nm,复合纤维无纺织物为石墨烯@UiO-66-NH2即GF@UiO-66-NH2,厚度为50~300μm;石墨烯@UiO-66-NH2中UiO-66-NH2的负载量为8~34wt%。


2.制备权利要求1所述的一种超快速催化降解神经性化学战剂的石墨烯复合纤维无纺织物的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)石墨烯纤维无纺织物的制备
以氧化石墨烯水分散液为纺丝原液,采用连续湿法纺丝的方法,制得氧化石墨烯纤维,室温静置,真空干燥;将干燥后的纤维分散于乙醇水溶液中,采用高速剪切搅拌的方法,将其切碎为短纤维,长度为1~7mm,制得短纤维乙醇水分散液,真空抽滤,室温干燥,然后制备氧化石墨烯纤维无纺织物,将氧化石墨烯纤维无纺织物部分还原制得石墨烯纤维无纺织物;
(2)复合纤维织物的制备
称取适量锆盐和有机配体2-氨基对苯二甲酸分别溶于N,N-二甲基甲酰胺中,并充分混合,加入调节剂,搅拌均匀;选用步骤(1)制得的石墨烯纤维无纺织物浸泡于上述混合液中,室温静置,使石墨烯织物充分吸附混合液中的锆离子;将上述体系置于反应釜中进行溶剂热合成反应,制得GF@UiO-66-NH2复合织物,用N,N-二甲基甲酰胺冲洗三次,进一步浸泡于无水乙醇中进行溶剂交换;真空干燥,即得具有超快速催化降解功能的石墨烯复合纤维无纺织物。


3.按照权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述的氧化石墨烯水分散液的浓度为5~30mg/mL,部分还原氧化石墨烯纤维无纺织物的用量为20mg;步骤(1)所述的纺丝过程选用KOH、NaOH、CaCl2、CuSO4盐溶液中的一种或两种为凝固浴,浓度为5~20wt%;步骤(1)所述的氧化石墨烯纤维室温静置时间为8~24h,真空干燥时间为2~24h,干燥温度为20~100℃;步骤(1)所述的氧化石墨烯干燥后的纤维的乙醇水分散液中乙醇与水的体积比为1:(0.34~3)。


4.按照权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨冬芝宋林娜王雪娇于中振
申请(专利权)人:北京化工大学
类型:发明
国别省市:北京;11

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