CN104606802B - 滤芯及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤芯，包括透气载体，所述透气载体的至少一个表面上设置有氧化石墨烯层。本发明的滤芯具有过滤效果好并且滤层结构稳定，不会发生脱落。制备滤芯的方法包括以下步骤：步骤1，将氧化石墨在溶剂中分散，得到质量分数为0.01％—5％的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶；步骤2，将步骤1的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶通过喷涂、浸渍、刮涂、丝网印刷或刷涂的方式附着于透气载体的表面，在透气载体的表面形成氧化石墨烯层；步骤3，将步骤2的附着有氧化石墨烯层的透气载体进行干燥。该滤芯作为空气过滤层应用于口罩、空调过滤器、空气净化器。

Description

滤芯及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及气体中颗粒物的过滤，具体涉及一种滤芯及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济的发展，人们生存的环境受到了严重的污染。特别是近几年国内开始大范围出现雾霾天气。雾霾天气空气中的污染物成分非常复杂。有害健康的主要是直径颗粒小于10um的气溶胶粒子，最近尤其是直径小于2.5um的颗粒，即PM2.5。对于这些PM2.5，对人体危害特别大，因为这些颗粒的表面上会负载有大量的有害致癌物质，且由于这些颗粒非常小，可以很容易进入肺泡，进而进入血液中，因此危害极大。传统的防尘防霾口罩，孔隙直径过大，根本无法有效阻止微米级的颗粒。市场上虽然也出现了许多新型的防霾口罩，这些口罩不是通过增加厚度，就是增加层数或掺入其它物质来实现相应的功能。但实际使用效果非常差，有许多专家已对市场口罩做了测试，目前来说还没有非常有效的口罩。

经过检索发现专利公开号为“CN203152561U”，公开了名为“一种除菌防尘口罩”的实用新型专利，该除菌防尘口罩主要是在无纺布或纱布上涂覆有纳米石墨烯涂层或纳米二氧化钛涂层或纳米二氧化钛与纳米石墨烯复合涂层，纳米级别的石墨烯材料具有更大的比表面积，可以吸附周围空气中的一些灰尘等无机小分子颗粒。申请人按照该专利披露的工艺，经过实验性的制作并试用上述除菌防尘口罩，发现口罩存在以下问题：

第一，上述口罩在使用一段时间后，发现附着在无纺布表面上的石墨烯涂层容易掉落，形成污染物。初期申请人并没有在意石墨烯涂层掉落，在更换新的口罩后，也存在同样的问题，表明石墨烯涂层与无纺布之间的粘附性差；

第二，上述口罩在使用时，使用者会出现呼吸不畅的现象；

对于以上两点缺陷，申请人以口罩的制备工艺作为出发点进行了长时间的研究和分析，却没有发现工艺本身对石墨烯涂层产生上述影响。在工艺上没有找到问题后，继续对缺陷产生的原因进行查找，最终终于发现是由于石墨烯材料本身的因素导致了缺陷的存在，具体为：由于石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，导致了石墨烯对无水乙醇溶液具有排斥作用，造成石墨烯在无水乙醇溶液中分散性较差，这样的情况使得一方面很难将石墨烯均匀的涂覆在无纺布上，另一方面即使附上之后因为较差的粘附性也很容易使石墨烯涂层掉落。另外，对石墨烯涂层经过x射线衍射谱发现，由于石墨烯的层间距小，且在使用一段时间后，颗粒物对石墨烯涂层形成堵塞，从而造成使用者的呼吸不畅。

发明内容

技术问题：针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种滤芯，本发明的滤芯具有过滤效果好并且滤层结构稳定，不会发生脱落。

技术方案：本发明的一种滤芯，包括透气载体，所述透气载体的至少一个表面上设置有氧化石墨烯层。

所述氧化石墨烯层的厚度为1nm—500um。

所述的滤芯还包括透气层，该透气层与透气载体连接后，氧化石墨烯层位于透气层和透气载体之间。

所述透气层与透气载体通过超声波压合成为一体。

本发明制备滤芯的方法包括以下步骤：

步骤1，将氧化石墨在溶剂中分散，得到质量分数为0.01％—5％的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶；

步骤2，将步骤1的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶通过喷涂、浸渍、刮涂、丝网印刷或刷涂的方式附着于透气载体的表面，在透气载体的表面形成氧化石墨烯层；

步骤3，将步骤2的附着有氧化石墨烯层的透气载体进行干燥。

当氧化石墨烯的质量分数为：0.01％—0.9％时，采用喷涂或浸渍的方法在透气载体的表面形成氧化石墨烯层。

当的氧化石墨烯质量分数为：0.9％—5％时，采用刮涂或丝网印刷或刷涂等方法在透气载体的表面形成氧化石墨烯层。

本发明的滤芯的应用在于，该滤芯作为空气过滤层应用于口罩、空调过滤器、空气净化器。

有益效果：本发明将氧化石墨烯层与透气载体制作成为滤芯，对于微米级别的颗粒，氧化石墨烯层不但能够非常有效的将其滤除掉，而且氧化石墨烯层与透气载体结合后非常牢固。这得益于氧化石墨烯具有大量的含氧官能团如羧基、羟基等，这些官能团具有非常大用处：第一，这些官能团可以提供有效的吸附点或拦截点，即这些官能团可以用来吸附微颗粒，同时还可以拦截这些微颗粒；第二，这些官能团可以和透气载体上的官能团结合，从而使氧化石墨烯层可以牢固的结合在透气载体上，防止脱落，造成污染；第三，这些官能团可以有效的将氧化石墨烯片层撑开，在起到过滤作用的同时，可以增加呼吸的顺畅度。上述这些优点都是石墨烯所不具有的。

本发明中的氧化石墨烯层厚度可以做到1nm—500um，因此，整个结构简单超薄，使用方便，通气性好，呼吸顺畅；

本发明的滤芯在增加了透气层后，透气层负责过滤粒径较大的颗粒，增加容尘量，减轻氧化石墨烯层的过滤负担，同时赋予口罩滤芯柔软结实美观的外形风格。

附图说明

图1为本发明中的滤芯的结构示意图；

图2为氧化石墨烯与石墨烯片的结构比较示意图，

图3为氧化石墨烯与石墨烯的红外光谱示意图；

图4为氧化石墨烯和石墨烯的x射线衍射谱的示意图；

图5为采用本发明的滤芯制成的口罩的示意图；

图6为各本发明的口罩与其他种类的口罩的防霾效果比较图；

图7为空调过滤器的结构示意图；

图8为空气净化器的结构示意。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明的技术及性能作进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明的滤芯A，包括透气载体1，透气载体1可以是无纺布、纱布、滤纸等，所述透气载体1的至少一个表面上设置有氧化石墨烯层2。氧化石墨烯层2附着在透气载体1表面上的过程为：先将氧化石墨在溶剂中分散，得到质量分数为0.01％—5％的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶；其次将氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶通过喷涂、浸渍、刮涂、丝网印刷、刷涂的方式附着于透气载体的表面，在透气载体的表面形成氧化石墨烯层；随后将附着有氧化石墨烯层的透气载体进行干燥。其中，当上述的氧化石墨烯的质量分数为：0.01％—0.9％时，采用喷涂或浸渍的方法在透气载体的表面形成氧化石墨烯层。当氧化石墨烯质量分数为：0.9％—5％时，采用刮涂或丝网印刷或刷涂等方法在透气载体的表面形成氧化石墨烯层2。通过上述方式，在透气载体1的表面上形成的氧化石墨烯层的厚度为1nm—500um，该氧化石墨烯层的厚度可以是1nm、10nm、20nm、50nm、100nm、1um、10um、20um、50um、100um、200um、300um、400um、500um。还包括透气层3，透气层3采用与透气载体1相同的材质，例如为无纺布、纱布或者滤纸等可以使气体通过的材质。本实施例中，只在透气载体1的一个表面设置了上述的氧化石墨烯层2，因此，当透气层3与透气载体连接1后，氧化石墨烯层2位于透气层3和透气载体1之间。优选地，所述透气层3与透气载体1通过超声波压合成为一体。透气层3与透气载体1之间还可以采用缝合、粘结等方式进行连接。

一种制备所述滤芯的方法，包括以下步骤：步骤1，将氧化石墨在溶剂中分散，得到质量分数为0.01％—5％的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶；

步骤2，将步骤1的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶通过喷涂、浸渍、刮涂、丝网印刷、刷涂的方式附着于透气载体的表面，在透气载体的表面形成氧化石墨烯层；当氧化石墨烯的质量分数为：0.01％—0.9％(即0.01％≤氧化石墨烯的质量分数＜0.9％)时，采用喷涂或浸渍的方法在透气载体的表面形成氧化石墨烯层。当氧化石墨烯质量分数为：0.9％—5％(即0.9％≤氧化石墨烯的质量分数≤5％)时，采用刮涂或丝网印刷或刷涂等方法在透气载体的表面形成氧化石墨烯层。

步骤3，将步骤2的所得的有氧化石墨烯层的透气载体进行干燥。

对于上述滤芯A的制备方法，以下通过具体实施例进行说明：

实施例1

步骤1，称取2mg氧化石墨，并分散在98mg水中，超声分散形成质量分数为2％的氧化石墨烯凝胶；

步骤2，将无纺布依次用乙醇、水清洗干净并烘干。在透气载体(本实施例中的透气载体为无纺布)1上，用刮涂的方法，将氧化石墨烯凝胶涂覆在透气载体1上。

步骤3，烘干即可得到厚度为100nm的氧化石墨烯层2；

步骤4，将透气层3(本实施例中的透气层为无纺布)，贴合在氧化石墨烯层2上，通过超声波压合的方法将透气载体1、氧化石墨烯层2及透气层3，进行边线压合，成为一体。

实施例2

制备方法基本同实施例1，不同之处是：氧化石墨烯的质量分数为0.9％，采用丝网印刷的方法，在透气载体(本实施例中的透气载体为纱布)1上形成厚度为1nm的氧化石墨烯膜。

实施例3

制备方法基本同实施例1，不同之处是：氧化石墨烯的质量分数为5％，采用刷涂的方法，在透气载体(本实施例中的透气载体为无纺布)1得到厚度为500um的氧化石墨烯膜。

实施例4

制备方法基本同实施例1，不同之处是：氧化石墨烯的质量分数为0.1％，采用浸渍的方法，在透气载体(本实施例中的透气载体为无纺布)1上得到了厚度为20nm的氧化石墨烯膜。

实施例5

制备方法基本同实施例4，不同之处是：氧化石墨烯的质量分数为0.5％，在透气载体(本实施例中的透气载体为纱布)1上得到厚度为300nm的氧化石墨烯膜。

实施例6

制备方法基本同实施例4，不同之处是：采用喷涂的方法，在透气载体(本实施例中的透气载体为滤纸)1上得到了厚度为2nm的氧化石墨烯膜。

实施例7

制备方法基本同实施例6，不同之处是：氧化石墨烯的质量分数为0.01％，得到厚度为1nm的氧化石墨烯膜。

实施例8

制备方法基本同实施例6，不同之处是：氧化石墨烯的质量分数为0.06％，得到厚度为70nm的氧化石墨烯膜。

上述的滤芯A，对于微米级别的颗粒，氧化石墨烯层能够非常有效的将其滤除掉，并且氧化石墨烯层能牢固地结合在透气载体上而不脱落。其原因在于：如图2所示，为氧化石墨烯与石墨烯片的结构比较图，很明显，氧化石墨烯片上具有大量的含氧官能团如羧基(-COOH)、羟基(-OH)等，而石墨烯片仅仅是由碳骨架组成。本发明中由于氧化石墨烯具有大量的含氧官能团如羧基、羟基等，这些官能团具有非常大用处：第一，这些官能团可以提供有效的吸附点或拦截点，即这些官能团可以用来吸附微颗粒，同时还可以拦截这些微颗粒；第二，这些官能团可以和透气载体上的官能力牢牢地结合，从而使氧化石墨烯层可以牢固的结合在透气载体上，防止脱落，造成污染；第三，这些官能团可以有效的将氧化石墨烯片层撑开(关于这一点，可以从下面对图4的说明中得到验证)，在起到过滤作用的同时，可以增加呼吸的顺畅度。所有这些优点都是石墨烯所不具有的。关于氧化石墨烯的石墨烯的官能团问题，也可以从两者的红外光谱图中得到验证，如图3所示，从图3中可以看出：氧化石墨烯红外谱具有很多峰谷，而这些峰谷对应着不同的官能团如3440对应羟基，1725,1625对应这羧基，等等。而石墨烯红外谱中只有碳骨架震动产生的峰，没有其他含氧官能团的峰。

另外，申请对氧化石墨烯和石墨烯的x射线衍射谱进行研究(如图4所示)，很明显，氧化石墨烯的峰位在10.8°左右，对应的氧化石墨烯层间距在0.8nm左右，而石墨烯的峰位在25.6°，对应的石墨烯层间距在0.35nm左右，因此，由氧化石墨烯形成的膜具有更好的透气性。氧化石墨烯上具有的大量官能团导致了层间距离的增加。同时这些官能团还可以起到吸附拦截微粒的作用；同时，通过这些官能团与透气载体的强力结合作用，还可以起到对氧化石墨烯膜的强化固定作用。另外，得益于这些官能团，才使得氧化石墨烯可以均匀的成膜。而以上提到的所有这些都是石墨烯所不具有的。

如图5所述，本发明的口罩B，包括耳挂部4，还包括上述实施例1—8任意一种方式所制得的滤芯，耳挂部4的两端与滤芯A的透气载体和/或透气层连接。耳挂部4与透气载体和/或透气层的连接方式可以是超声波压合，缝合以及粘结等。

为了比较该口罩B的过滤效果，申请人购买了较为常用品牌的防霾口罩，包括DOCTOR MASK口罩、3M口罩、伊藤真品口罩，同时还按照专利号为CN203152561U的专利制备了纳米石墨烯口罩，分别对这些口罩和本发明的口罩进行了测试。测试环境为：仪器周围为2.8升空气中所含直径大于0.5微米以上的颗粒。测试结果见下表：

口罩种类	测试结果
		无	颗粒数为8830
DOCTORMASK口罩	颗粒数为6009
		3M口罩	颗粒数为7927
伊藤牌口罩	颗粒数为6079
		纳米石墨烯口罩	颗粒数为5045

本发明的口罩

颗粒数为3465

上述测试结果中颗粒的数量越小，表明口罩对颗粒物的拦截效率越高。很明显，本发明口罩具有最佳的过滤效果，而这主要得益于氧化石墨烯层，该层可以提供更小的孔隙直径。同时，戴上后呼吸顺畅，而这要得益于氧化石墨烯层超薄的厚度。因此，本发明的口罩不仅有效解决了传统口罩及最新出来的防霾口罩，孔隙径过大，从而无法有效阻止微米级颗粒的问题，而且基于超薄的氧化石墨烯层及仅有的三层结构，解决了其它口罩呼吸不畅的问题。最新出来的口罩都是在传统口罩基础上，通过增加厚度或增加层数或添加其它材料等手段，来实现所谓的防霾，其实真正的效果是：防霾效果不理想同时还导致呼吸不畅。本发明就是针对这些问题，而发明的新型口罩滤芯。

如图7所示，本发明的一种空调过滤器C，包括支撑框架5，还包括上述实施例1—8任意一种方式所制得的滤芯A，所述的滤芯A固定在支撑框架C内。滤芯A的透气载体和透气层采用滤纸时，将滤纸进行折叠，以增大滤芯的过滤面积。

如图8所示，本发明的一种空气净化器D，包括壳体6以及风机7，该壳体6上设有气体通道，气体通道的一端的端口为进气口6a，气体通道的另一端端口为出气口6b，所述风机7设置在气体通道内，还包括上述实施例1—8任意一种方式所制得的滤芯A，所述的滤芯A安装在气体通道的内部。可以将滤芯A安装在振动器上，当使用一段时间后，启动振动器，带动滤芯A产生振动，将收集在滤芯A内的颗粒物抖落下来，从而可以保证滤芯A的过滤效率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种滤芯，包括透气载体，其特征在于：所述透气载体的至少一个表面上设置有氧化石墨烯层；

所述氧化石墨烯层的厚度为1nm—300nm；

所述滤芯还包括透气层，所述透气层与所述透气载体连接后，所述氧化石墨烯层位于透气层和透气载体之间；

所述滤芯的制备方法由以下步骤组成：

步骤1，将氧化石墨在溶剂中分散，得到质量分数为0.01％—5％的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶；

步骤2，将步骤1的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶通过喷涂、浸渍、刮涂、丝网印刷或刷涂的方式附着于透气载体的表面，在透气载体的表面形成氧化石墨烯层；

所述氧化石墨烯层的厚度为1nm—300nm；

步骤3，将步骤2的附着有氧化石墨烯层的透气载体进行干燥；

所述滤芯还包括透气层，所述透气层与所述透气载体通过超声波压合成为一体。

2.一种如权利要求1所述滤芯的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：

步骤1，将氧化石墨在溶剂中分散，得到质量分数为0.01％—5％的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶；

步骤2，将步骤1的氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯凝胶通过喷涂、浸渍、刮涂、丝网印刷或刷涂的方式附着于透气载体的表面，在透气载体的表面形成氧化石墨烯层；

所述氧化石墨烯层的厚度为1nm—300nm；

步骤3，将步骤2的附着有氧化石墨烯层的透气载体进行干燥；

所述滤芯还包括透气层，所述透气层与所述透气载体通过超声波压合成为一体。

3.根据权利要求2所述制备滤芯的方法，其特征在于，当氧化石墨烯的质量分数为：0.01％—0.9％时，采用喷涂或浸渍的方法在透气载体的表面形成氧化石墨烯层。

4.根据权利要求2所述制备滤芯的方法，其特征在于，当氧化石墨烯质量分数为：0.9％—5％时，采用刮涂或丝网印刷或刷涂方法在透气载体的表面形成氧化石墨烯层。

5.一种如权利要求1所述的滤芯的应用，其特征在于，该滤芯作为空气过滤层应用于口罩、空调过滤器、空气净化器。