CN105126746A

CN105126746A - 基于硅藻土的多功能材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN105126746A
Application number: CN201510463631.1A
Authority: CN
Inventors: 文启东; 崔俊峰; 文博; 邹晓虎
Original assignee: Beijing Dongtai Fubo New Material Science & Technology Co Ltd
Current assignee: INNER MONGOLIA DONGSHENG DIATOMITE TECHNOLOGY INNOVATION INDUSTRIAL PARK CO., LTD.
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: CN105126746B

Abstract

本发明提供了一种用于制备基于硅藻土的多功能材料的方法，其特征在于，所述方法主要包括如下步骤：获得硅藻土粉末；将所述硅藻土粉末与一元碱水溶液蒸煮，获得硅藻土蒸煮液；将所述硅藻土蒸煮液过滤，获得硅藻土蒸煮滤液；依次向所述硅藻土蒸煮滤液添加甘油、聚乙烯吡咯烷酮和乙醇和纤维并搅拌均匀；将pH调节至pH5至6，然后倒入模具并在室温静置至胶凝，得到第一硅藻土凝胶；将所述第一硅藻土凝胶脱模并浸泡在乙醇中12小时至18小时，得到第二硅藻土凝胶；将所述第二硅藻土凝胶进行超临界干燥，得到所述基于硅藻土的多功能材料。由本发明的方法所制得的多功能材料的具有显著的吸收甲醛的能力，可以用于室内隔断和/或空气过滤。

Description

基于硅藻土的多功能材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料的制备。

背景技术

甲醛的分子式为HCHO，分子量为30.03，是最简单的醛类，通常情况下是一种可燃、无色及有刺激性的气体。甲醛是一种重要的有机原料，主要用于塑料工业(如制酚醛树脂、脲醛塑料)、合成纤维(如合成维尼纶聚乙烯醇缩甲醛)、皮革工业、医药、染料等。然而，甲醛具有明显的毒性。人吸入60～120mg/m³，发生支气管炎、肺部严重损害；人吸入12～24mg/m³，鼻、咽粘膜严重灼伤、流泪、咳嗽；人经口10～20ml，致死。人吸入20～70mg/m³长时间，食欲丧失、体重减轻、无力、头痛、失眠；人吸入12mg/m³长期接触，嗜睡、无力、头痛、手指震颤、视力减退。哺乳动物体细胞突变：人淋巴细胞130μmol/L；而且还可能对生殖系统产生不良影响，并且可能导致癌症。据报道，甲醛对眼睛、呼吸道及皮肤有强烈刺激性。接触甲醛蒸气引起结膜炎、角膜炎、鼻炎或支气管炎，由此可能引起喉痉挛、声门水肿、肺炎、肺水肿。另外，甲醛对皮肤有原发性刺激和致敏作用。可致皮炎。浓溶液可引起皮肤凝固性坏死。口服灼伤口腔和消化道，可发生胃肠道穿孔、休克和肝肾损害。长期接触低浓度甲醛可有轻度眼及上呼吸道刺激症状、皮肤干燥、皲裂。

室内环境中甲醛主要来自于家具和织物、木制品填料、建筑来源、清洁剂、化妆品和个人用品等，其中主要是人造板材。根据GB/T18883-2002《室内空气质量标准》，空气中的甲醛含量应≤0.10mg/m³，而目前室内空气中甲醛含量很多均超出国家标准，因此给人们的健康带来了非常严重的威胁。

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，是海洋或湖泊中生长的硅藻类的残骸在水底沉积，经自然环境作用而逐渐形成的一种非金属矿物。硅藻土主要分布在中国、美国、丹麦、法国、罗马尼亚等国。是一种生物成因的硅质沉积岩，它主要由古代硅藻的遗骸所组成。我国硅藻土储量3.2亿吨，远景储量达20多亿吨，主要集中在华东及东北地区，其中规模较大，储量较多的有吉林(54.8％)、浙江、云南、山东、四川等省。

硅藻土的密度1.9-2.3g/cm³，堆密度0.34-0.65g/cm³，比表面积40-65m/g，孔体积0.45-0.98m，吸水率是自身体积的2-4倍，熔点1650C-1750℃，在电子显微镜下可以观察到特殊多孔的构造。硅藻土具有一定的化学活性，同时因其独特的结构特征，使得硅藻土具有细腻、松散、质轻、多孔、吸水性和渗透性强的物性。

基于硅藻土的材料有很多，但是仍存在很多亟待解决的问题。从产品的功能效果上看，由于过于强调和依赖硅藻土单一的性能，虽大量采用硅藻土，但没有吸附分解甲醛、有害气味效果并不明显。有的还大量复配高岭土、云母类的矿物粉，其实硅藻土的伴生矿中就含有大量的高岭石及云母粘土矿，造成材料浪费的同时还显著增加了制造成本。

以上这些产品存在着不容忽视的缺点。例如硅藻土本身不具备胶凝性，如果为了提高其粘结性及强度，采用诸如水泥等增强材料进行复合，导致硅藻土不但无法循环使用，而且限制了硅藻土的吸附功能，最直接的效果就是吸附性能下降。有的使用树脂类粘结剂，堵塞了硅藻土的微小细孔，造成分解甲醛能力下降。

鉴于甲醛的重要性和危害性以及硅藻土作为材料的功能不足的问题，有必要提供能够充分挖掘硅藻土的过滤性能尤其是吸滤甲醛功能的材料和方法，也有必要在提供具有一定形状和强度的能够吸滤甲醛的多功能材料以便用作过滤装置中的有形滤芯以及室内隔断而非支撑用的材料。

发明内容

为了解决硅藻土作为材料使用过程中存在的上述一种或者多种问题，本发明提供了一种用于制备基于硅藻土的多功能材料的方法、由该方法制得的基于硅藻土的多功能材料以及该材料在空气过滤尤其是甲醛吸滤中的应用。

本发明在第一方面提供了一种用于制备基于硅藻土的多功能材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)获得硅藻土粉末；

(2)将所述硅藻土粉末与一元碱水溶液蒸煮，获得硅藻土蒸煮液；

(3)将所述硅藻土蒸煮液过滤，获得硅藻土蒸煮滤液；

(4)向所述硅藻土蒸煮滤液添加长纤维搅拌均匀，再添加甘油并搅拌均匀，得到第一混合物；

(5)向所述第一混合物中添加聚乙烯吡咯烷酮并搅拌均匀，得到第二混合物；

(6)向所述第二混合物中添加短纤维并搅拌均匀，再添加乙醇并搅拌均匀，得到第三混合物；

(7)将所述第三混合物的pH调节至pH5至6，然后倒入模具中，并在室温静置至胶凝，得到第一硅藻土凝胶；

(8)将所述第一硅藻土凝胶脱模浸泡在乙醇中12小时至18小时，得到第二硅藻土凝胶；

(9)将所述第二硅藻土凝胶进行超临界干燥，得到所述基于硅藻土的多功能材料。

本发明在第二方面提供了由本发明第一方面所述的方法制得的基于硅藻土的多功能材料。

本发明在第三方面提供了本发明第一或第二方面所述的基于硅藻土的多功能材料在室内隔断或空气过滤中的应用，尤其在甲醛吸滤中的应用。

本发明方法制得的基于硅藻土的多功能材料具有具有轻质、高效空气过滤尤其是甲醛吸滤的能力，可以用于室内空气过滤，例如可以制造成滤芯放到空调机的风道中。另外，该材料还具有隔音、阻燃的作用，还可以用于室内隔断的材料。

具体实施方式

下文将通过提供一些具体的实施方式以举例方式对本发明进行进一步的描述。但是本申请请求保护的技术方案不限于这些具体的实施方式。

(1)获得硅藻土粉末；

(2)将所述硅藻土粉末与一元碱水溶液蒸煮例如4至6小时，例如为4、5或6小时，获得硅藻土蒸煮液；如果蒸煮时间过长，一是导致耗时过多，而是导致继发性凝聚；如果蒸煮时间过短，浸出不足；

(3)将所述硅藻土蒸煮液过滤，获得硅藻土蒸煮滤液；

在一些实施方式中，所述硅藻土粉末优选具有20微米至100微米的粒径，例如为20、30、40、50、60、70、80、90或100微米，进一步优选的是具有50微米至80微米的粒径。粒径过低，会导致硅藻土原有的微孔结构的破坏；粒径过高，显著降低了浸出速度和效率。

在一些实施方式中，以所述硅藻土粉末的重量计，所述碱液的用量优选为50克/摩尔至150克/摩尔，例如为50、60、70、80、90、100、120或150克/摩尔；更优选的是，所述碱液的用量优选为80克/摩尔至120克/摩尔。在一些优选的实施方式中，所述一元碱水溶液为氢氧化钠或强氧化钾，特别优选的是氢氧化钠。

在一些实施方式中，步骤(2)中的蒸煮温度为80℃至90℃，例如为80℃、85℃或90℃。如果蒸煮温度过高，会导致滤液颜色过深。

在一些实施方式中，以所述硅藻土蒸煮滤液的体积计，所述甘油的用量为5体积％至10体积％，例如为5、6、7、8、9或10体积％。如果甘油的用量过低，导致最后制得的粉末材料微孔结构分布不均匀；如果甘油的用量过高，则可能延缓了凝胶速度，甚至无法形成凝胶。

在一些实施方式中，以所述硅藻土蒸煮滤液的体积计，所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量体积百分比为6％至10％，例如为5、6、7、8、9或10％。如果PVP的量过少，凝胶速度过慢。如果PVP的量过少，凝胶速度过慢。进一步优选的是，PVP的分子量优选为4000至6000，例如为4000、4500、5000、5500或6000。本发明人在预实验中发现，PVP的分子量过低，最终所得粉状材料吸滤甲醛的速度过慢，并且不利于对粉状材料的再生；如果PVP的分子量过高，不利于甲醛的稳定捕获，容易导致所捕获的甲醛的逸出。

在一些实施方式中，以所述硅藻土蒸煮滤液的体积计，所述乙醇的用量为25体积％至30体积％，例如为25、26、27、28、29或30体积％。

本发明发现，按照上述顺序和用量依次添加甘油、PVP和乙醇可以显著改善最后制得的多功能材料捕获甲醛的能力，推测可能是因为甘油、PVP和乙醇协同改变所得多功能材料的微孔结构(很可能是减小，因为甲醛分子一般小于所得多功能材料的微孔直径小一个数量级)和分布均匀性。令人意外的是，如果将甘油和乙醇的添加顺序调换，发现所得多功能材料捕获甲醛的能力。

本发明对所使用的纤维没有特别的限制，但是有限的是能够耐受高温的无机纤维。例如，所述长纤维和/或短纤维可以为选自由石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维组成的组。

在一些优选的实施方式中，所述长纤维和所述短纤维的直径为5至10μm，例如为5、6、7、8、9或10μm。直径过大，减少了所得材料的孔隙率。直径过小，提高了所得材料的制造成本。

另外优选的是，所述长纤维的长度为200至400mm，例如为200mm、300mm或400mm。如果长度过长，不利于充分均匀分散以后后期加入短纤维的均匀搅拌；如果长度过短，所得材料的强度可能不足。优选的是，以所述硅藻土粉末的重量计，所述长纤维为30％至60％。如果长纤维过少，不利于材料强度的保持和提高；如果长纤维过多，本发明人发现会影响到甲醛的吸附能力。

另外优选的是，所述短纤维的长度为5至10mm，例如为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。如果长度过长，由于先前已经加入长纤维的空气下，很难对后面加入的短纤维进行均匀分散；如果长度过短，不利于获得。优选的是，以所述硅藻土粉末的重量计，所述短纤维为50％至80％。本发明人发现，短纤维过少或者过多都会影响到甲醛的吸附能力。而且，长纤维和短纤维的添加时机对于能够搅拌均匀或搅拌均匀的难易程度也非常关键。

本发明在第三方面提供了本发明第一或第二方面所述的基于硅藻土的多功能材料在空气过滤中的应用，尤其在甲醛吸滤中的应用。应当理解的是，所述粉末材料也可以用于流体例如水其它杂质例如细菌、病毒、粉尘等的吸滤。而且，由于本发明的材料具有质轻、隔音、阻燃的性能，因此尤其适合于用作室内隔断。

另外注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。这些实施例只是就本发明的优选实施方式进行举例说明，本发明的保护范围不应解释为仅限于这些实施例。

实施例

下文将通过实施例的形式对本发明进行进一步的说明。

实施例1

称取硅藻土粉末100g，加入0.5摩尔/L的氢氧化钠水溶液，并在85℃蒸煮7.5小时，获得硅藻土蒸煮液。将所述硅藻土蒸煮液过滤，获得硅藻土蒸煮滤液。向所述硅藻土蒸煮滤液添加甘油并搅拌均匀，然后添加聚乙烯吡咯烷酮并搅拌均匀，再添加乙醇并搅拌均匀。将pH调节至pH6，并在室温静置12小时，得到第一硅藻土凝胶。将所述第一硅藻土凝胶浸泡在乙醇中12小时，期间每浸泡4小时更换一次乙醇，得到第二硅藻土凝胶。然后，对所述第二硅藻土凝胶进行超临界干燥，得到所述基于硅藻土的多功能材料。

将所制得的多功能材料填充到直径为40cm、长度为20cm的管状容器中并振实，多功能材料的两端内衬一层无纺布，外衬聚丙烯网再用开口直径为38cm、外径为40cm的端盖通过螺纹连接固定，从而形成圆饼状的滤芯，然后将滤芯放置在甲醛含量为0.200mg/m³的30m³的舱室中，然后使用鼓风机(M5-36型，购自江苏恒远鼓风机有限公司)以最高档鼓风20分钟。然后立即采用测试鼓风处理后的舱室内气体的甲醛含量，按照如下公式计算鼓风处理的甲醛吸滤率并将结果列在下表1中：甲醛吸滤率＝(0.200-处理后浓度)/0.200x100％。

实施例2至20

除了表1所示内容之外，以与实施例1相同的方式制备多功能材料并且以相同的方式测定甲醛吸滤率和除菌率。

实施例21

除了以先添加乙醇、然后添加PVP、再添加甘油的顺序来添加乙醇、PVP和甘油外，以与实施例相同的方式制备粉状过滤材料并且以相同的方式测定甲醛吸滤率。

实施例22

使用100g的硅醇盐和乙醇、去离子水、氨水按配比为：1∶10∶10∶0.01(摩尔比)配比配制成溶胶，向所述硅藻土蒸煮滤液添加甘油并搅拌均匀，然后添加聚乙烯吡咯烷酮并搅拌均匀，再添加乙醇并搅拌均匀。将pH调节至pH6，并在室温静置12小时，得到第一硅藻土凝胶。将所述第一硅藻土凝胶浸泡在乙醇中12小时，期间每浸泡4小时更换一次乙醇，得到第二硅藻土凝胶。然后，对所述第二硅藻土凝胶进行超临界干燥，得到所述基于硅藻土的粉状过滤材料，并以相同的方式测定甲醛吸滤率和除菌率，结果列于下表1中。

实施例23

直接以粒径为60微米的硅藻土粉末填装形成与实施例1相同尺寸的圆饼状滤芯，并且以相同的方式测定甲醛吸滤率和除菌率，结果列于下表1中。

表1原料和试剂用量、制备过程参数以及所制得的粉状过滤材料的甲醛吸滤率。

实施例24

称取硅藻土粉末100g，加入0.5摩尔/L的氢氧化钠水溶液，并在85℃蒸煮7.5小时，获得硅藻土蒸煮液。将所述硅藻土蒸煮液过滤，获得硅藻土蒸煮滤液。向所述硅藻土蒸煮滤液添加石英长纤维并搅拌均匀，然后添加甘油并搅拌均匀，接着添加聚乙烯吡咯烷酮并搅拌均匀，再添加石英短纤维并搅拌均匀。接着，添加乙醇并搅拌均匀。将pH调节至pH6并将浆料倒入到具有直径为40cm、长度为60cm圆饼形型腔的模具中，然后在室温静置12小时，得到第一硅藻土凝胶。将所述第一硅藻土凝胶脱模后浸泡在乙醇中12小时，期间每浸泡4小时更换一次乙醇，得到第二硅藻土凝胶。然后，对所述第二硅藻土凝胶进行超临界干燥，得到所述基于硅藻土的多功能材料。

将所制得的多功能材料切割成长度为20cm的材料，然后将其放置在甲醛含量为0.200mg/m³的30m³的舱室中，再使用鼓风机(M5-36型，购自江苏恒远鼓风机有限公司)以最高档鼓风20分钟。然后立即采用测试鼓风处理后的舱室内气体的甲醛含量，按照如下公式计算鼓风处理的甲醛吸滤率并将结果列在下表2中：甲醛吸滤率＝(0.200-处理后浓度)/0.200x100％。另外，根据GB/T7759-1996测量所得材料的回弹力。

实施例25至36

除了表2所示内容之外，以与实施例24相同的方式制备多功能材料并且以相同的方式测定甲醛吸滤率。

表2实施例24至37所采用的纤维材料参数以及所制得的多功能材料的甲醛吸滤率。

注：实施例37采用实施例中所制得的粉末过滤材料、以相同的方式使用，并且以相同的方法测量甲醛吸滤率。

从表2可以看出，使用适量的合适长纤维和适量的合适短纤维的组合可以在赋予材料想要的形状并且提供一定强度的同时能够基本保持对甲醛的吸滤率。

Claims

1.一种用于制备基于硅藻土的多功能材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)获得硅藻土粉末；

(3)将所述硅藻土蒸煮液过滤，获得硅藻土蒸煮滤液；

(8)将所述第一硅藻土凝胶脱模后浸泡在乙醇中12小时至18小时，得到第二硅藻土凝胶；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅藻土粉末具有20微米至100微米的粒径。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以所述硅藻土粉末的重量计，所述碱液的用量为50克/摩尔至150克/摩尔。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的蒸煮温度为80℃至90℃，时间为4小时至6小时。

5.根据权利要求1至中任一项所述的方法，其特征在于：

以所述硅藻土蒸煮滤液的体积计，所述甘油的用量为5体积％至10体积％；和/或

以所述硅藻土蒸煮滤液的体积计，所述聚乙烯吡咯烷酮的质量体积百分比为6％至10％；和/或

以所述硅藻土蒸煮滤液的体积计，所述乙醇的用量为25体积％至30体积％。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述长纤维的直径为5至10μm，长度为200至400mm；优选的是，以所述硅藻土粉末的重量计，所述长纤维为30％至60％。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述短纤维的直径为5至10μm，长度为5至10mm；优选的是，以所述硅藻土粉末的重量计，所述长纤维为50％至80％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述一元碱水溶液为氢氧化钠或强氧化钾。

9.由权利要求1至8中任一项所述的方法制得的基于硅藻土的多功能材料。

10.权利要求9中所述的基于硅藻土的多功能材料在室内隔断或者空气过滤中的应用，尤其在甲醛吸滤中的应用。