CN105251268A

CN105251268A - 一种石墨烯基空气滤材及其制备方法

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Publication number: CN105251268A
Application number: CN201510736303.4A
Authority: CN
Inventors: 杜茂龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2016-01-20

Abstract

本发明为一种石墨烯基空气滤材及其制备方法，该材料是氧化石墨烯组装的三维石墨烯海绵结构，该方法和应用包括：1)在氧化石墨烯水溶液中加入增稠剂，并加入纸浆作为交联剂，通过冷冻干燥的方法获得多孔的海绵状的三维石墨烯；2)多孔的海绵状石墨烯具有很好的机械强度，可以任意弯曲，裁剪成不同形状；3)石墨烯海绵的孔洞结构可以通过改变氧化石墨烯尺寸和交联剂加入量进行调控；4)多孔的海绵状石墨烯具有高的比表面积、较多的表面官能团，具有很强的吸附效果和一定的抗菌性。该石墨烯吸附材料制备过程工艺简单、成本低廉，可以调控石墨烯海绵的孔径大小，可作为口罩滤片、空调滤网、汽车滤清器等过滤材料，同时还可应用于染料、油污吸附等领域。

Description

一种石墨烯基空气滤材及其制备方法

技术领域

本发明涉及吸附材料领域，具体为一种石墨烯吸附材料及其制备方法和应用，可用于口罩滤片、空调滤网、汽车滤清器等空气过滤材料，同时具有一定的抗菌性能。

背景技术

当前我国的空气污染问题日益严重，主要表现为煤烟型污染。城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标；二氧化硫污染一直在较高水平；机动车尾气污染物排放总量迅速增加；氮氧化物污染呈加重趋势。尤其近来在中国的许多大中城市频频产生的雾霾天气，严重威胁人民的身体健康和生命。雾霾天气产生的机制很复杂，其化学成分也很复杂，可能引发多种疾病。同时，病毒、病菌等可能会附着在大气的颗粒物上，传播疾病。PM2.5是大气污染物中对人体危害最大的颗粒物，此颗粒物直径等于或小于2.5微米，医学上成为可吸入颗粒物。目前市面上的多种空气净化器及净化材料，但大都不能有效的阻挡PM2.5。而阻挡效果较好的净化器，其成本又太高。因此需要开发一种具有优异吸附性能和抗菌性能，透气性较好，能够有效阻挡PM2.5等大气污染物，并且制备工艺简单，成本低廉的过滤材料。

石墨烯自2004年被发现以来，立即引起了科研界极大的兴趣，近几年来已经成为科学研究的一大热点材料。石墨烯作为一种新兴的材料，其理论比表面积可以达到2620m²/g，是一种潜在的吸附材料。但是由于石墨烯片层结构容易团聚，形成孔隙率很低的二维结构材料，从而使其性能及应用范围受到很大的限制。

利用氧化石墨烯组装成三维海绵状结构石墨烯，具有大的比表面积，很好的吸附性能，同时研究表明氧化石墨烯具有优异的抗菌性能。三维石墨烯的制备可以采用多种方法，而目前的方法所制得的三维石墨烯都没有良好的柔韧性，易破裂变形，不能有效的用于过滤吸附材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可有效净化空气的滤材，并且具有一定的抗菌性能，同时结构简单，易于生产和制造。

本发明所解决上述技术问题的方案是：

一种石墨烯基空气滤材，该材料为氧化石墨烯组装的三维海绵状结构，孔径范围100nm～1.5μm，比表面积100m²/g～2000m²/g，表面含氧基团比例为35％～50％。

所述的石墨烯基空气滤材的制备方法，包括如下步骤：

(1)氧化石墨烯水溶液的制备：选取不同目数的石墨粉体为原料，制备不同尺寸的氧化石墨烯，超声分散在水中。

(2)三维石墨烯结构的制备：在一定量的石墨烯水溶液中加增稠剂，混合后加入纸浆作为交联剂，分散均匀后在不同形状的托盘器皿中冷冻成块状，真空冷冻干燥后得到三维石墨烯材料。

所述的石墨烯基空气滤材的制备方法，所用石墨粉原料的目数为100目～15000目。分散后的氧化石墨烯溶液的浓度为0.1mg/ml～10mg/ml。

所述的石墨烯基空气滤材的制备方法，制备氧化石墨烯采用Hummer法对石墨粉进行氧化，石墨烯分散溶剂为水溶液，超声剥离时间为30min～5h。

所述的石墨烯基空气滤材的制备方法，制备三维石墨烯时，所加入增稠剂为聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、β-环糊精、聚乙二醇中的一种或多种，所加入增稠剂与氧化石墨烯的质量比为1∶10～1∶1000。优选地，加入增稠剂选用聚丙烯酸钠，加入量与氧化石墨烯的质量比为1∶50～1∶500。

所述的石墨烯基空气滤材的制备方法，制备三维石墨烯时所加入交联剂可为各种类型的纸浆或日用卫生纸打浆，所加入交联剂与氧化石墨烯的质量比为1∶1～1∶100。

所述的石墨烯基空气滤材的制备方法，制备三维石墨烯时，采用的干燥方式为真空冷冻干燥。

所述的石墨烯基空气滤材的制备方法，三维石墨烯结构制备过程中，可通过改变氧化石墨烯的尺寸大小以及聚合剂的加入量来控制三维结构孔径的大小。优选地，制备氧化石墨烯时选用石墨粉原料的目数为1000目～10000目。

所述的石墨烯基空气滤材的制备方法，所制备三维石墨烯块体材料的大小及厚度，可以由冷冻时容器形貌及大小来调控。所得多孔的海绵状石墨烯具有很好的机械强度，可以任意弯曲，裁剪成不同形状。

本发明的有益效果：

(1)利用氧化石墨烯组装成三维海绵状结构石墨烯，具有超高的比表面积，很好的吸附性能。将其用于防雾霾口罩滤片，能够有效的过滤大气污染物。

(2)以往的三维石墨烯的制备韧性不好，机械强度不高且不能控制其孔径大小，孔洞较大。本发明利用聚丙烯酸盐和纸浆的加入，不仅使其更具有柔韧性，而且可以成功控制其孔径在微米级以下。纸浆可以是原浆，也可以是日用卫生纸直接打浆而得，简单易得、成本低廉。

(3)三维海绵状石墨烯，不仅具有超高比表面积，而且其表面还有大量的含氧基团，进一步增强其吸附效果。同时研究表明氧化石墨烯具有抗菌效果。

(4)本发明增稠剂选用的聚丙烯酸盐，不仅可以便于三维结构的可控，同时聚丙烯酸盐加入还可以中和氧化石墨烯中所含有的一些金属离子杂质，提高氧化石墨烯的纯度。而且无毒无害，利于环保。

(5)该石墨烯吸附材料制备过程工艺简单、成本低廉，可以调控石墨烯海绵的孔径大小，具有很好的机械性能和加工性能，可作为可用于口罩滤片、空调滤网、汽车滤清器等过滤材料，同时还可应用于染料、油污吸附等领域。

附图说明

图1是本发明所得三维石墨烯材料宏观照片。

图2是示意本发明所得三维石墨烯材料可任意弯曲的照片。

图3是本发明所得三维石墨烯材料SEM照片。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的温度、时间等也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

下面，结合具体实施例对本发明石墨烯基空气滤材的制备和应用进行详细介绍。

实施例1

本发明实施例制备三维石墨烯的工艺流程，包括如下步骤：

第一步，制备氧化石墨烯：本实施例中石墨粉平均粒度为5000目。利用Hummers法合成氧化石墨烯(GO)。将2g石墨粉，1gNaNO₃在冰水浴中与230ml浓硫酸混合均匀，缓慢加入6gKMnO₄。然后升温至在35℃，搅拌30min后，加入92ml去离子水，升温至98℃反应15min。之后，向其中加入280ml水稀释，并用5ml30％H₂O₂中和多余KMnO₄。混合溶液的颜色为棕黄色，趁热过滤，用去离子水反复洗涤至中性，超声分散得到GO。

第二步，合成三维石墨烯：取200ml质量分数为5mg/ml的氧化石墨烯溶液倒入直径25cm，高2cm的圆盘状反应皿中，加入聚丙烯酸钠0.5g搅拌使其充分混合，然后加入100ml的漂白纸浆。待搅拌混合均匀后冷冻成块。然后将石墨烯海绵进行真空冷冻干燥，得到柔性的三维石墨烯结构。

综上所述，该三维海绵状石墨烯结构，孔径范围300nm～1μm，比表面积约500m²/g，表面含氧基团比例约为40％。

将上述材料裁剪成长15cm，宽10cm的长方形，用普通纱布将其包覆。为检验其空气过滤效果，我们将检测空气质量的空气盒子(青岛海尔空调器有限公司，KZW-A01U1)置于密闭容器中，用上述石墨烯滤片封住开口。作为对比实验，另一组用普通纱布封住开口。然后将容器置于充满香烟烟尘的环境中。我们看到石墨烯滤片封口的容器内空气盒子示数是79(优良)，普通口罩封口的容器内空气盒子示数是40(重度污染)。

由此可见，本发明能够作为空气滤片有效的过滤PM2.5等空气污染物。

实施例2

本发明实施例制备三维石墨烯的工艺流程，包括如下步骤：

第一步，制备氧化石墨烯：本实施例中石墨粉平均粒度为10000目。合成步骤与实施例1中相同。

第二步，合成三维石墨烯：取200ml质量分数为5mg/ml的氧化石墨烯溶液倒入直径25cm，高2cm的圆盘状反应皿中，加入聚丙烯酸钠0.5g搅拌使其充分混合，然后加入100ml的日用卫生纸的纸浆。待搅拌混合均匀后冷冻成块。然后将石墨烯海绵进行真空冷冻干燥，得到柔性的三维石墨烯结构。

综上所述，该三维海绵状石墨烯结构，孔径范围100nm～1μm，比表面积约800m²/g，表面含氧基团比例约为40％。

该材料同样能够作为空气滤片有效的过滤PM2.5等空气污染物。

实施例3

本发明实施例制备三维石墨烯的工艺流程，包括如下步骤：

第一步，制备氧化石墨烯：本实施例中石墨粉平均粒度为500目。合成步骤与实施例1中相同。

第二步，合成三维石墨烯：取200ml质量分数为5mg/ml的氧化石墨烯溶液倒入直径25cm，高2cm的圆盘状反应皿中，加入聚乙二醇0.5g搅拌使其充分混合，然后加入100ml的机械纸浆。待搅拌混合均匀后冷冻成块。然后将石墨烯海绵进行真空冷冻干燥，得到柔性的三维石墨烯结构。

综上所述，该三维海绵状石墨烯结构，孔径范围100nm～1μm，比表面积约200m²/g，表面含氧基团比例约为40％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种石墨烯基空气滤材，其特征在于：该材料是氧化石墨烯组装的三维海绵状结构，孔径范围100nm～10μm，比表面积500m²/g～2000m²/g。

2.根据权利要求1所述材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)三维石墨烯结构的制备：在一定量的石墨烯水溶液中加增稠剂，混合后加入纸浆作为交联剂，分散均匀后在不同形状的托盘器皿中冷冻成块状，冷冻干燥后得到三维石墨烯材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所用石墨粉原料的目数为100目～10000目，分散后的氧化石墨烯溶液的浓度为1mg/ml～10mg/ml。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，制备氧化石墨烯采用Hummer法对石墨粉进行氧化，石墨烯分散溶剂为水溶液，超声剥离时间为30min～5h。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，制备三维石墨烯时所加入增稠剂为聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、β-环糊精、聚乙二醇中的一种或多种，所加入增稠剂与氧化石墨烯的质量比为1∶10～1∶1000。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，制备三维石墨烯时所加入交联剂可为各种类型的纸浆或日用卫生纸打浆而得，所加入交联剂与氧化石墨烯的质量比为1∶1～1∶100。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，制备三维石墨烯时，采用的干燥方式为真空冷冻干燥。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，三维石墨烯结构制备过程中，可通过改变氧化石墨烯的浓度以及交联剂的加入量来控制三维结构孔径的大小。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所制备三维石墨烯块体材料的大小及厚度由冷冻时托盘器皿的形状来控制，所得多孔的海绵状石墨烯能够弯曲裁剪成任意形状。

10.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，该三维石墨烯结构可用于口罩滤片、空调滤网、汽车滤清器等过滤材料，同时亦可对染料、油类和有机溶剂进行吸附。