一种3D打印技术制备多孔块体气凝胶用于吸附与降解VOCs气体的方法技术

本发明专利技术涉及一种3D打印技术制备多孔块体气凝胶用于吸附与降解VOCs气体的方法。将异丙醇、聚二甲基硅氧烷、羟丙基甲基纤维素均匀混合，加入二氧化硅气凝胶粉体、二氧化钛光催化粉体，通过球磨混合制备3D打印浆料；然后通过直写型3D打印机将其制备成特定结构宏观多孔的3D打印气凝胶样品；随后在常温下进行陈化处理，并在适当温度下进行干燥处理来去除其中的有机溶剂并使粘结剂进一步交联固化来提供一定力学强度；最后将其于电炉中进行热处理得到用于VOCs吸附与降解的3D打印二氧化硅气凝胶。3D打印二氧化硅气凝胶对以甲醛、甲苯为代表的VOCs吸附性能高于市售活性炭20％以上，吸收率可达100％，降解率可达25％以上。降解率可达25％以上。降解率可达25％以上。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印技术制备多孔块体气凝胶用于吸附与降解VOCs气体的方法


[0001]本专利技术涉及气凝胶材料制备技术，特别涉及一种用于VOCs吸附与降解3D打印气凝胶的制备方法。

技术介绍

[0002]随着物质生活水平的提高，室内空气质量(indoor air quality,IAQ)逐渐成为人们关注的一个问题，长期生活、工作在室内空气质量不佳的建筑物中的人们表现出了头疼、呼吸道感染、恶心及过敏等一系列病态反应。该现象引起了国内外学者的广泛关注及研究，并提出了病态建筑(Sick Building)和病态建筑综合征(Sick Building Syndrome,SBS)的概念，对治理室内空气污染物提出了新的挑战与新的需求。
[0003]室内空气污染物主要包括挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)、CO2等气象有害物，以及微小的固体颗粒、细菌等固相有害物，其中挥发性有机物是大气复合污染的主要前体物，包括非甲烷总烃、含氧有机化合物、卤代烃、含硫、含氮有机物等，常见于各类室内装修材料及化工材料中。目前对于挥发性有机物的处理方法主要包括热力燃烧、催化燃烧、生物降解、吸附、吸收及膜分离等，其中吸附法由于其使用方法简便，可对VOCs进行回收而得到了广泛应用。用于VOCs吸附的材料目前主要为活性炭、沸石、硅澡泥等，其中二氧化硅气凝胶因为其纳米结构的孔洞大小分布均匀，气孔率高，是一种廉价高效的气体过滤材料。
[0004]1931年斯坦福大学的S.S.Kistler首次提出了气凝胶概念，并利用超临界干燥的方法制备了二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶具有连续的三位网络结构，在其表面分布着大量不规则的纳米孔结构，这种独特的网络结构赋予了气凝胶低密度、高比表面积、大的孔隙率、极低的热导率等良好性能，使其被广泛用于隔热保温、吸附、载体、降噪等方面。气凝胶具有纳米多孔的网络结构，从而导致其内比表面积可以达到600m
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g以上，往往大于活性炭、硅胶、分子筛等其他吸附材料，使其具备了对极佳的吸附能力。此外二氧化硅气凝胶的介孔结构更加有利益苯、甲苯等大分子污染物的吸收；气凝胶表面原子的化学活性较高且可以通过表面改性对其进行修饰，使其对于特定的极性分子有较强的吸附作用。综上所述，二氧化硅气凝胶吸附性好、绿色经济、具有优越的发展潜力，是有害气体净化的理想材料。但由于气凝胶的脆性较大，其在制备过程中普遍存在着十分严重的开裂与粉体等问题，并不适用于气体的净化，并且完整的块状气凝胶在所需净化的气体通过时会产生较大的阻力，不利于气体通过。
[0005]本专利技术通过3D打印技术制备出宏观多孔的块体二氧化硅气凝胶，并辅以二氧化钛光催化剂，这种二氧化硅气凝胶在保留了其分布大量有利于吸附VOCs的微孔、介孔微观结构的同时，具备宏观多孔的结构，更加有利于被净化气流的通过与流动，同时在负载了光催化材料后，在紫外线的照射下，将吸收的VOCs降解为无害的CO2、H2O等成分，循环再生性能得到极大提升，将室内污染有效降低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于通过3D打印及常压干燥制备用于VOCs吸附降解的二氧化硅气凝胶材料，提供一种工艺简单，成本低廉，吸附降解性能优良且具有良好循环特性的空气净化材料的制备方法。
[0007]本材料通过如下技术方案予以实现。
[0008]一种3D打印VOCs吸附与降解的二氧化硅气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)3D打印浆料的配制：按照质量分数称取40～80份的异丙醇，并分别称取15～30份聚二甲基硅氧烷(PDMS)、5～10份羟丙基甲基纤维素，搅拌混合得到分散均匀的溶液，然后加入质量分数30～40份二氧化硅气凝胶粉体、6～8份二氧化钛光催化粉体，使用球磨机对所制备浆料进行混合与研磨，得到混合均匀的3D打印浆料；
[0010](2)3D打印多孔块体气凝胶：使用3D打印机对浆料进行打印，其中挤出浆料的气压根据浆料的流动性在2MPa～5MPa，打印程序根据具体使用场景的需求进行调控，对3D打印气凝胶样品的形状、孔结构进行个设计；
[0011](3)气凝胶的陈化、干燥与交联：将步骤(2)所得的3D打印样品在室温下放入密闭环境内进行初步陈化；之后将其放入温度40℃～80℃烘箱中进行常压干燥，去除其中的有机溶剂并使其中的粘结剂进一步交联固化，为产品提供一定的强度；
[0012](4)气凝胶的热处理：将步骤(3)所得的干燥样品放入电炉中，升温至300℃～500℃并保温1
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3小时，然后自然冷却到室温，得到用于VOCs吸附与降解的3D打印二氧化硅块体多孔气凝胶。
[0013]所述步骤(1)中PDMS与相应固化催化剂质量比为10：1至20：1。
[0014]所述步骤(1)搅拌混合0.5～1小时得到分散均匀的溶液。
[0015]所述步骤(1)中PDMS与相应固化催化剂质量比为10：1至20：1。
[0016]所述步骤(1)中行星式球磨机转速为400～600r/min，混合时间1～2h。
[0017]所述步骤(3)陈化时间约为24～48小时。
[0018]所述步骤(3)中干燥的密闭环境体积为被陈化材料体积的10～50倍，要求与外界无或有微量的气体交换。
[0019]所述步骤(4)中升温速率为1～5℃/min，保温1～3小时。
[0020]对本专利技术的VOCs的吸附测试：将样品放入一密闭环境内，通入用于检测的特定浓度VOCs气体，VOCs种类包括但不限于甲醛、甲苯等，初始浓度为10～100ppm。通过采样针抽取密闭环境内气体，检测出各类VOCs的初始浓度，此后每间隔10～30min进行抽样测试，得到各类VOCs的吸附曲线，从而确定样品的吸附性能，如图1所示为实施例1所制备的样品对甲醛的吸附性能曲线图，表明其对VOCs去除率可达100％。图2所示为实施例1所制备的样品与市售活性炭对VOCs的吸附曲线对比图，证明本专利技术的方法吸附性能高于市售活性碳吸附性能20％以上。
[0021]VOCs的降解测试：多次向密闭环境内充入VOCs气体，至密闭环境内VOCs浓度与测定的初始浓度相等且60min后仍保持不变(即材料对VOCs吸附饱和)，打开紫外灯光进行降解性能测试，此后每间隔10～30min进行抽样测试，得到各类VOCs浓度变化即为在紫外灯照射条件下材料降解VOCs导致的浓度变化，从而确定材料的降解性能，图3为实施例1所制备的样品在黑暗条件下及光照条件下对VOCs的降解曲线图，证明了本专利技术具备对VOCs有降解
性能，且本专利技术的方法降解性能可达25％以上。图4所示对材料进行循环测试，证明其可在重复5次以上保证材料不失效，表明材料在使用过程中具备一定的可靠性。
[0022]如图5所示，本专利技术制备的3D打印二氧化硅气凝胶具备宏观多孔的结构，更加有利于被净化气流的通过与流动，更加便于实际应用条件下的使用。对本专利技术得到的3D打印二氧化硅气凝胶的化学成分、微观结构和吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印VOCs吸附与降解的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征是，包括如下步骤：(1)3D打印浆料的配制：按照质量分数称取40～80份的异丙醇，并分别称取15～30份聚二甲基硅氧烷(PDMS)、5～10份羟丙基甲基纤维素，搅拌混合得到分散均匀的溶液，然后加入质量分数30～40份二氧化硅气凝胶粉体、6～8份二氧化钛光催化粉体，使用球磨机对所制备浆料进行混合与研磨，得到混合均匀的3D打印浆料；(2)3D打印多孔块体气凝胶：使用3D打印机对浆料进行打印，其中挤出浆料的气压根据浆料的流动性在2MPa～5MPa，打印程序根据具体使用场景的需求进行调控，对3D打印气凝胶样品的形状、孔结构进行个设计；(3)气凝胶的陈化、干燥与交联：将步骤(2)所得的3D打印样品在室温下放入密闭环境内进行初步陈化；之后将其放入温度40℃～80℃烘箱中进行常压干燥，去除其中的有机溶剂并使其中的粘结剂进一步交联固化，为产品提供一定的强度；(4)气凝胶的热处理：将步骤(3)所得的干燥样品放入电炉中...

【专利技术属性】
技术研发人员：季惠明，赵文璞，刘骞，沈铸睿，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：