CN103768864B - 一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防静电高性能烟气滤料的制备方法，采用静电纺丝技术结合纳米材料改性技术，制备出具有导电和耐热耐磨性能的纳米纤维滤料，提高烟气净化滤料的防静电与耐高温耐磨性能。本发明制得的防静电高性能烟气净化滤料可有效的提高膜滤料在使用过程中内部的静电耗散速度；且由于滤料纤维复合了纳米尺寸粒子，可大大提高滤料的抗粉尘冲刷磨损性，延长了使用寿命，扩大了滤料的应用范围。经评价测试其中一种滤料性能，膜表面电阻率小于1.2×103Ω，耐磨性能与无纳米材料改性同材质滤料相比提高260%以上。
Description
技术领域
本发明涉及烟气净化滤料的制备，具体涉及一种防静电耐温耐磨烟气净化滤料的制备方法，属于烟气净化领域。
背景技术
随着国家对环保治理的越来越严格，人们对工业烟尘污染综合治理技术越来越关注和重视。袋式除尘技术由于过滤效率高、使用寿命长等优点，在工业烟尘治理领域应用越来越广。滤料作为袋式除尘的关键部件，其性能的优劣决定了整个系统运行的稳定性。因此，在综合治理钢铁冶炼、垃圾焚烧、燃煤电厂、水泥、化工等行业存在高危（可燃、易爆）烟尘时，由于滤料积聚静电打火，造成爆燃甚至爆炸等风险，从而对滤料的防静电和耐高温性能提出了更高的要求。一般的工业粉尘在浓度达到一定程度后（即爆炸极限）如遇静电放电火花或外界点火等因素，则极易导致爆炸和火灾。如：面粉尘、化工性粉尘、煤粉尘等如遇静电放电都有爆炸的可能。在袋式除尘领域，如上述粉尘需用布袋来收集，则要求制作除尘布袋的滤料具有防静电性。
目前，制备防静电滤膜主要是采用添加抗静电剂或与其它导电分子材料共混技术、添加导电填料等。利用常用纤维材料与经过改性后具有导电性能聚合物的纤维进行混纺的方法制造防静电高性能滤料，由于经改性后的导电纤维性能受烟气温度、腐蚀性气体、湿度等工况条件影响较大，大大限制了该滤料的应用范围。通过添加导电填料，掺入高分子材料基体，增强材料的导电性，可加快材料表面的静电转移。目前可采用表面处理法（如外涂法、镀层法、层压复合）来实现。但是表面处理法只局限于在材料表面涂覆一层导电涂料以提高抗静电性能，很难控制内表面电阻处于较低的范围，静电耗散速度较慢，同时防静电层性能不持久可靠。目前采用这些技术制备的烟气净化滤料，存在导电性差、机械强度差、耐磨性和耐高温性低下等问题。
发明内容
针对现有烟气滤料普遍存在导电性差、机械强度差、耐磨性和耐高温性低下等问题，本发明提出了一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法。采用静电纺丝技术结合纳米材料改性技术，通过添加纳米导电颗粒物至纺丝用溶液中制备出具有纳米导电粒子纳米纤维滤料，提高膜的导电、防静电性能与耐高温耐磨性能。具体而言，本发明通过以下技术方案实现本发明的目的。
一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯、纳米导电材料溶于有机溶剂中，在超声作用下形成分散均匀的分散剂；
（2）将耐高温高分子材料与步骤（1）中的分散剂共混溶解形成均匀纺丝溶液，采用静电纺丝技术制备具有纳米材料改性的复合纳米纤维滤料，纳米导电材料、氧化石墨烯附着在单根耐高温高分子纤维的内部和表面；
上述纳米导电材料：氧化石墨烯：耐高温高分子材料的质量比为0.5～250：1：50～1200。
加入氧化石墨烯的目的是分散纳米导电粒子，以便在超声作用下形成分散均匀的分散剂。
将上述步骤中制得的复合纳米纤维滤料在真空或惰性气体保护下进行热处理，还原氧化石墨烯为石墨烯，以进一步提高复合纳米纤维滤料的导电性。纳米导电材料、石墨烯附着在单根耐高温高分子纤维的内部和表面。热处理的温度为50～300℃。
上述步骤（1）中的纳米导电材料指纳米级尺寸的导电材料，优选纳米石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管等的一种或几种混合。
上述步骤（2）中的耐高温高分子材料指具有耐高温性能的高分子材料，优选聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚醚醚酮、聚苯并恶唑、芳纶、聚酰亚胺等的一种或几种混合。
上述步骤（1）所述有机溶剂指能溶解氧化石墨烯、纳米导电材料和耐高温高分子材料的溶剂，优选二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜的一种或几种混合。
与现有技术相比，本发明制得的防静电高性能烟气净化滤料可有效提高膜滤料在使用过程中内部的静电耗散速度；且由于滤料纤维复合纳米尺寸粒子，可大大提高滤料的抗粉尘冲刷磨损性，延长了使用寿命，扩大了滤料的应用范围。因此，本发明制得的防静电高性能烟气净化滤料的可广泛用于燃煤电厂、钢铁冶炼、水泥、垃圾焚烧、化工等工业可燃、易爆烟尘的治理中。
附图说明
图1 PVDF参杂石墨烯的纳米纤维SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
实施例1
加入0.01g的氧化石墨烯、0.25g的石墨烯至50ml二甲基甲酰胺溶液中，超声分散均匀，再加入5g PVDF，60°C水浴加热至溶解均匀，得到均匀溶液。将溶液注入注射器中，通过控制溶液的进液速度为13μl/min和控制纺丝电压为22kv，得到附着有氧化石墨烯、石墨烯的PVDF纳米纤维膜。PVDF纳米纤维的平均直径为750nm，膜的厚度为80μm。
在200℃真空烘箱中热处理PVDF纳米纤维膜60min，得到防静电PVDF纳米纤维膜，其SEM图如图1所示。评价测试膜的电阻率及耐磨性能，防静电PVDF纳米纤维膜表面电阻率可达2×103Ω，耐磨性能与无纳米材料改性同材质滤料相比提高220%以上。
实施例2
加入0.005g的氧化石墨烯、0.05g的单壁碳纳米管至50ml二甲基乙酰胺溶液中，超声分散均匀，再加入5g芳纶1313，50℃水浴加热至溶解均匀，得到均匀溶液。将溶液注入注射器中，通过控制溶液的进液速度13μl/min和控制电压25kv，得到附着有氧化石墨烯和单壁碳纳米管的芳纶1313纳米纤维过滤膜。芳纶1313纳米纤维的平均直径为850nm，膜的厚度为72μm。
在50℃真空烘箱中热处理芳纶1313纳米纤维过滤膜100min，得到防静电芳纶1313纳米纤维过滤膜。评价测试膜的电阻率及耐磨性能，防静电芳纶1313纳米纤维过滤膜表面电阻率学小于3.5×103Ω，耐磨性能与无纳米材料改性同材质滤料相比提高200%以上。
实施例3
加入0.01g的氧化石墨烯、0.1g的多壁碳纳米管至50ml二甲基亚砜溶液中，超声分散均匀，再加入10g聚酰亚胺，磁力搅拌12h至溶解均匀，得到均匀溶液。将溶液注入注射器中，通过控制溶液的进液速度12μl/min和控制电压24kv，得到附着有氧化石墨烯、多壁碳纳米管的聚酰亚胺纳米纤维过滤膜。聚酰亚胺纳米纤维的平均直径为680nm，膜的厚度为88μm。
300℃真空烘箱中热处理聚酰亚胺纳米纤维膜60min，得到防静电聚酰亚胺纳米纤维过滤膜。评价测试膜的电阻率及耐磨性能，防静电聚酰亚胺纳米纤维过滤膜表面电阻率小于1.2×103Ω，耐磨性能与无纳米材料改性同材质滤料相比提高250% 以上。
实施例4
加入0.01g的氧化石墨烯、0.01g的多壁碳纳米管至50ml二甲基甲酰胺溶液中，超声分散均匀，再加入12g聚醚砜(PES)，磁力搅拌6h至溶解均匀，得到均匀溶液。将溶液注入注射器中，通过控制溶液的进液速度8μl/min和控制电压24kv，得到附着有氧化石墨烯、多壁碳纳米管的聚醚砜纳米纤维过滤膜。聚醚砜(PES)纳米纤维的平均直径为200nm，膜的厚度为60μm。
在300℃真空烘箱中热处理聚醚砜纳米纤维膜60min，得到防静电聚醚砜纳米纤维过滤膜。评价测试膜的电阻率及耐磨性能，防静电聚醚砜纳米纤维过滤膜表面电阻率小于1×103Ω，耐磨性能与无纳米材料改性同材质滤料相比提高150%以上。
Claims (6)
1.一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯、纳米导电材料溶于有机溶剂中，在超声作用下形成分散均匀的分散剂；
（2）将耐高温高分子材料与步骤（1）中的分散剂共混形成均匀纺丝溶液，采用静电纺丝技术制备具有纳米材料改性的复合纳米纤维滤料；纳米导电材料：氧化石墨烯：耐高温高分子材料的质量比为0.5～250：1：50～1200。
2.根据权利要求1所述的一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法，其特征在于，将复合纳米纤维滤料在真空或惰性气体保护下热处理，还原氧化石墨烯为石墨烯。
3.根据权利要求1或2所述的一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的纳米导电材料优选纳米石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管。
4.根据权利要求1或2所述的一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述有机溶剂优选二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜。
5.根据权利要求1或2所述的一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中的耐高温高分子材料优选聚偏氟乙烯、聚醚砜、芳纶、聚酰亚胺。
6.根据权利要求2所述的一种防静电高性能烟气净化滤料的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度范围优选50~300℃。
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