CN106245441B - 一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维过滤纸及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：（1）制备玻璃纤维；（2）玻璃纤维预处理；（3）称取石墨烯量子点配制成浓度为0.1~1mg/ml的分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌80~100ml石墨烯量子点分散溶液，将预处理后的玻璃纤维加入其中，超声搅拌速度减半，浸渍30~60min；取出玻璃纤维清洗，烘干，待用；（4）制备石墨烯改性复合玻璃纤维；（5）制备玻璃纤维过滤纸。通过本发明的方法能够将石墨烯更有效地均匀分散涂覆在玻璃纤维上，且进一步增大纤维相互作用面积及界面结合力，以使得玻璃纤维过滤纸具有更加优异的性能，具有高强度、高耐腐蚀性、耐高温以及耐磨等优异性能。

Description

一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用
技术领域
本发明涉及了一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用。
背景技术
我国是一个用电大国，每年的用电量总额为48684亿千瓦时，且每年都以4～10％的速率增长，而我国最大的三峡水电站年均产电量仅为1073亿千瓦时，且年产量超过500万千瓦时的大型发电站就有289家，中型、小型大电站则不计其数，所有电厂的进、排风系统中都需要安装多套空气过滤器从而起到提供洁净空气的作用。该类空气过滤器按照效率等级分为高、中、初效三个等级，除了初效过滤器用到金属丝或玻纤毡，其余过滤器的过滤材料基本为玻璃纤维滤料。目前，电厂空气滤材要求通风量大，其对过滤材料要求具有很高的强度及耐破度，且需要拒水拒油性能来应对恶劣的环境，从而延长过滤器的使用寿命，现有的过滤材料还有待进一步增强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用，所述石墨烯改性复合玻璃纤维按以下方法制得：
（1）制备玻璃纤维：将50~55% SiO2、10~15%B2O3、0.1~0.5%Na2O、10~15%Al2O3、15~20%CaO及0.1~0.5%多壁碳纳米管或多孔石墨烯粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径的玻璃纤维；
（2）玻璃纤维预处理：取5~50份玻璃纤维分相后，在80~100ml浓度为1~2mol/L的HCl溶液中进行酸浸处理，酸浸处理是在恒温90~95℃条件下进行，使玻璃纤维中分出的Na2O-B2O3相溶解于酸，酸中加入5~10ml浓度为40%的NH4Cl溶液作为缓冲剂，酸处理时间为30~60min；经水洗脱水、烘干，得到预处理玻璃纤维；
（3）称取石墨烯量子点（粒径约2~10nm）配制成浓度为0.1~1mg/ml的分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（300~500W超声功率，200~300rpm搅拌速度）80~100ml石墨烯量子点分散溶液，将预处理后的玻璃纤维加入其中，超声搅拌速度减半，浸渍30~60min，期间避免纤维缠结，影响涂覆效果；取出玻璃纤维清洗，烘干，待用；
（4）称取石墨烯配制成浓度为0.2~0.8mg/ml的石墨烯分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（300~500W超声功率，200~300rpm搅拌速度）80~100ml石墨烯分散溶液，加入步骤（3）制得的玻璃纤维，超声搅拌10min，然后移至聚四氟乙烯的反应釜中，在80~120℃下保温15~30min；取出玻璃纤维清洗，烘干，得到石墨烯改性复合玻璃纤维。
所述玻璃纤维过滤纸制备方法如下：
（a）制浆：取40~60份直径为3.0~3.5mm的石墨烯改性复合玻璃纤维和10~15份直径为0.8~1.0μm的石墨烯改性复合玻璃纤维，将两种不同直径的复合玻璃纤维加水和酸搅拌得到纸浆悬浮液；
（b）成型：稀释步骤（a）悬浮液至质量浓度为0.2~0.4%，然后将悬浮液送至成型器上成型得湿纸；
（c）施胶：对步骤（b）所得湿纸进行施胶，所施胶料为丙烯酸乳液、和防水乳液的混合液；
（d）脱水：抽吸步骤（c）施胶的湿纸，使湿纸含湿率＜45%；
（e）干燥：100~200℃干燥脱水后的湿纸即得成品。
本发明具有如下有益效果：
通过本发明的方法能够将石墨烯更有效地均匀分散涂覆在玻璃纤维上，且进一步增大纤维相互作用面积及界面结合力，以使得玻璃纤维过滤纸具有更加优异的强度和挺度。另外，本发明的方法工艺简单，成本低廉，实用性好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用。所述玻璃纤维过滤纸制备方法，包括如下步骤：
（一）石墨烯改性复合玻璃纤维的制备，包括以下步骤：
（1）制备玻璃纤维：将54.4% SiO2、15%B2O3、0.6%Na2O、12%Al2O3和18%CaO粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径大小的玻璃纤维；
（2）玻璃纤维预处理：取45份玻璃纤维分相后，在100ml浓度为2mol/L的HCl溶液中进行酸浸处理，酸浸处理是在恒温95℃条件下进行，使玻璃纤维中分出的Na2O-B2O3相溶解于酸，酸中加入5ml浓度为40%的NH4Cl溶液作为缓冲剂，酸处理时间为30min；经水洗脱水、烘干，得到预处理玻璃纤维；
（3）称取石墨烯量子点（粒径约2nm）配制成浓度为0.3mg/ml的分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（500W超声功率，200rpm搅拌速度）100ml石墨烯量子点分散溶液，将预处理后的玻璃纤维加入其中，超声搅拌速度减半，浸渍60min，期间避免纤维缠结，影响涂覆效果；取出玻璃纤维清洗，烘干，待用；
（4）称取石墨烯配制成浓度为0.5mg/ml的石墨烯分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（500W超声功率，200rpm搅拌速度）80ml石墨烯分散溶液，加入步骤（3）制得的玻璃纤维，超声搅拌10min，然后移至聚四氟乙烯的反应釜中，在100℃下保温15min；取出玻璃纤维清洗，烘干，得到石墨烯改性复合玻璃纤维。
（二）玻璃纤维过滤纸的制备，包括以下步骤：
（a）制浆：取50份直径为3.3mm的石墨烯改性复合玻璃纤维和10份直径为0.9μm的石墨烯改性复合玻璃纤维，将两种不同直径的复合玻璃纤维加入打浆机中，然后加入清水和硫酸，使浆料PH＝3.8，质量浓度为2.7%，然后进行打浆分散，打浆时间约30min得到纸浆悬浮液；
（b）成型：稀释步骤（a）悬浮液至质量浓度为0.3%，并进行除渣处理；然后将浆料输送至斜网成型器上进行湿法成型，得到湿纸；
（c）施胶：对步骤（b）所得湿纸进行施胶，所施胶料为丙烯酸乳液、和防水乳液的混合液；
（d）脱水：抽吸步骤（c）施胶的湿纸，使湿纸含湿率＜45%；
（e）干燥：100~200℃干燥脱水后的湿纸即得成品。
实施例2
一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用。所述玻璃纤维过滤纸制备方法，包括如下步骤：
（一）石墨烯改性复合玻璃纤维的制备，包括以下步骤：
（1）制备玻璃纤维：将54.4% SiO2、15%B2O3、0.6%Na2O、12%Al2O3和18%CaO粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径大小的玻璃纤维；
（2）玻璃纤维预处理：取20份玻璃纤维分相后，在100ml浓度为2mol/L的HCl溶液中进行酸浸处理，酸浸处理是在恒温95℃条件下进行，使玻璃纤维中分出的Na2O-B2O3相溶解于酸，酸中加入5ml浓度为40%的NH4Cl溶液作为缓冲剂，酸处理时间为30min；经水洗脱水、烘干，得到预处理玻璃纤维；
（3）称取石墨烯量子点（粒径约5nm）配制成浓度为0.1mg/ml的分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（500W超声功率，200rpm搅拌速度）100ml石墨烯量子点分散溶液，将预处理后的玻璃纤维加入其中，超声搅拌速度减半，浸渍60min，期间避免纤维缠结，影响涂覆效果；取出玻璃纤维清洗，烘干，待用；
（4）称取石墨烯配制成浓度为0.2mg/ml的石墨烯分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（500W超声功率，200rpm搅拌速度）100ml石墨烯分散溶液，加入步骤（3）制得的玻璃纤维，超声搅拌10min，然后移至聚四氟乙烯的反应釜中，在80℃下保温30min；取出玻璃纤维清洗，烘干，得到石墨烯改性复合玻璃纤维。
（二）玻璃纤维过滤纸的制备，包括以下步骤：
（a）制浆：取50份直径为3.3mm的石墨烯改性复合玻璃纤维和10份直径为0.9μm的石墨烯改性复合玻璃纤维，将两种不同直径的复合玻璃纤维加入打浆机中，然后加入清水和硫酸，使浆料PH＝3.8，质量浓度为2.7%，然后进行打浆分散，打浆时间约30min得到纸浆悬浮液；
（b）成型：稀释步骤（a）悬浮液至质量浓度为0.3%，并进行除渣处理；然后将浆料输送至斜网成型器上进行湿法成型，得到湿纸；
（c）施胶：对步骤（b）所得湿纸进行施胶，所施胶料为丙烯酸乳液、和防水乳液的混合液；
（d）脱水：抽吸步骤（c）施胶的湿纸，使湿纸含湿率＜45%；
（e）干燥：100~200℃干燥脱水后的湿纸即得成品。
实施例3
一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用。所述玻璃纤维过滤纸制备方法，包括如下步骤：
（一）石墨烯改性复合玻璃纤维的制备，包括以下步骤：
（1）制备玻璃纤维：将54.4% SiO2、15%B2O3、0.6%Na2O、12%Al2O3和18%CaO粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径大小的玻璃纤维；
（2）玻璃纤维预处理：取50份玻璃纤维分相后，在100ml浓度为2mol/L的HCl溶液中进行酸浸处理，酸浸处理是在恒温95℃条件下进行，使玻璃纤维中分出的Na2O-B2O3相溶解于酸，酸中加入5ml浓度为40%的NH4Cl溶液作为缓冲剂，酸处理时间为30min；经水洗脱水、烘干，得到预处理玻璃纤维；
（3）称取石墨烯量子点（由三种不同粒径均等组成，粒径分别为2~4nm、5~7nm和7~10nm）配制成浓度为0.6mg/ml的分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（500W超声功率，200rpm搅拌速度）100ml石墨烯量子点分散溶液，将预处理后的玻璃纤维加入其中，超声搅拌速度减半，浸渍60min，期间避免纤维缠结，影响涂覆效果；取出玻璃纤维清洗，烘干，待用；
（4）称取石墨烯配制成浓度为0.8mg/ml的石墨烯分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（500W超声功率，200rpm搅拌速度）80ml石墨烯分散溶液，加入步骤（3）制得的玻璃纤维，超声搅拌10min，然后移至聚四氟乙烯的反应釜中，在120℃下保温20min；取出玻璃纤维清洗，烘干，得到石墨烯改性复合玻璃纤维。
（二）玻璃纤维过滤纸的制备，包括以下步骤：
（a）制浆：取50份直径为3.3mm的石墨烯改性复合玻璃纤维和10份直径为0.9μm的石墨烯改性复合玻璃纤维，将两种不同直径的复合玻璃纤维加入打浆机中，然后加入清水和硫酸，使浆料PH＝3.8，质量浓度为2.7%，然后进行打浆分散，打浆时间约30min得到纸浆悬浮液；
（b）成型：稀释步骤（a）悬浮液至质量浓度为0.3%，并进行除渣处理；然后将浆料输送至斜网成型器上进行湿法成型，得到湿纸；
（c）施胶：对步骤（b）所得湿纸进行施胶，所施胶料为丙烯酸乳液、和防水乳液的混合液；
（d）脱水：抽吸步骤（c）施胶的湿纸，使湿纸含湿率＜45%；
（e）干燥：100~200℃干燥脱水后的湿纸即得成品。
实施例4
基于实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤（1），具体为：将54.3% SiO2、15%B2O3、0.6%Na2O、12%Al2O3、18%CaO和0.1%多壁碳纳米管（OD约8nm）粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径大小的玻璃纤维。
实施例5
基于实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤（1），具体为：将53.9% SiO2、15%B2O3、0.6%Na2O、12%Al2O3、18%CaO和0.5%多壁碳纳米管（OD约8nm）粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径大小的玻璃纤维。
实施例6
基于实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤（1），具体为：将54.1% SiO2、15%B2O3、0.6%Na2O、12%Al2O3、18%CaO和0.3%多孔石墨烯（2~5层，孔大小约3~6nm）粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径大小的玻璃纤维。
对比例1
一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用。所述玻璃纤维过滤纸制备方法，包括如下步骤：
（一）石墨烯改性复合玻璃纤维的制备，包括以下步骤：
（1）配置摩尔浓度为8mol/L的氢氧化钠溶液，将玻璃纤维放入氢氧化钠溶液中，超声波处理60min，得到表面粗糙化的玻璃纤维，经水洗脱水、烘干，得到预处理玻璃纤维；
（2）称取石墨烯配制成浓度为0.5mg/ml的石墨烯分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（500W超声功率，200rpm搅拌速度）80ml石墨烯分散溶液，加入步骤（1）制得的玻璃纤维，超声搅拌10min，然后移至聚四氟乙烯的反应釜中，在100℃下保温15min；取出玻璃纤维清洗，烘干，得到石墨烯改性玻璃纤维增强。
（二）玻璃纤维过滤纸的制备，包括以下步骤：
（a）制浆：取50份直径为3.3mm的石墨烯改性复合玻璃纤维和10份直径为0.9μm的石墨烯改性复合玻璃纤维，将两种不同直径的复合玻璃纤维加入打浆机中，然后加入清水和硫酸，使浆料PH＝3.8，质量浓度为2.7%，然后进行打浆分散，打浆时间约30min得到纸浆悬浮液；
（b）成型：稀释步骤（a）悬浮液至质量浓度为0.3%，并进行除渣处理；然后将浆料输送至斜网成型器上进行湿法成型，得到湿纸；
（c）施胶：对步骤（b）所得湿纸进行施胶，所施胶料为丙烯酸乳液、和防水乳液的混合液；
（d）脱水：抽吸步骤（c）施胶的湿纸，使湿纸含湿率＜45%；
（e）干燥：100~200℃干燥脱水后的湿纸即得成品。
对比例2
一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用。所述玻璃纤维过滤纸制备方法，包括如下步骤：
（一）石墨烯改性复合玻璃纤维的制备，包括以下步骤：
（1）制备玻璃纤维：将将54.6% SiO2、15%B2O3、0.6%Na2O、12%Al2O3和18%CaO粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径大小的玻璃纤维；
（2）称取石墨烯配制成浓度为0.5mg/ml的石墨烯分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌（500W超声功率，200rpm搅拌速度）80ml石墨烯分散溶液，加入步骤（1）制得的玻璃纤维，超声搅拌10min，然后移至聚四氟乙烯的反应釜中，在100℃下保温15min；取出玻璃纤维清洗，烘干，得到石墨烯改性复合玻璃纤维。
（二）玻璃纤维过滤纸的制备，包括以下步骤：
（a）制浆：取50份直径为3.3mm的石墨烯改性复合玻璃纤维和10份直径为0.9μm的石墨烯改性复合玻璃纤维，将两种不同直径的复合玻璃纤维加入打浆机中，然后加入清水和硫酸，使浆料PH＝3.8，质量浓度为2.7%，然后进行打浆分散，打浆时间约30min得到纸浆悬浮液；
（b）成型：稀释步骤（a）悬浮液至质量浓度为0.3%，并进行除渣处理；然后将浆料输送至斜网成型器上进行湿法成型，得到湿纸；
（c）施胶：对步骤（b）所得湿纸进行施胶，所施胶料为丙烯酸乳液、和防水乳液的混合液；
（d）脱水：抽吸步骤（c）施胶的湿纸，使湿纸含湿率＜45%；
（e）干燥：100~200℃干燥脱水后的湿纸即得成品。
实施例1~6和对比例1~2制得的玻璃纤维过滤纸及市售的玻璃纤维按常规方法应用至玻璃纤维过滤纸进行性能测试，结果见下表：
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种石墨烯改性复合玻璃纤维在玻璃纤维过滤纸的应用；所述玻璃纤维过滤纸制备方法，包括如下步骤：
（一）石墨烯改性复合玻璃纤维的制备，包括以下步骤：
（1）制备玻璃纤维：将54.1% SiO2、15%B2O3、0.6%Na2O、12%Al2O3、18%CaO和0.3%多孔石墨烯，该多孔石墨烯2~5层，孔大小3~6nm，粉碎搅拌混合后，放在400mL的刚玉坩埚内，用硅钼棒电阻炉熔制，加料温度为1370℃，熔融澄清温度为1450±10℃，于1200℃出炉，浇注成型，送入马弗炉中，于500℃退火，制得玻璃；将制得的玻璃加热到拉丝粘度的温度1050℃，拉制成特定直径大小的玻璃纤维；
（2）玻璃纤维预处理：取45份玻璃纤维分相后，在100mL浓度为2mol/L的HCl溶液中进行酸浸处理，酸浸处理是在恒温95℃条件下进行，使玻璃纤维中分出的Na2O-B2O3相溶解于酸，酸中加入5mL浓度为40%的NH4Cl溶液作为缓冲剂，酸处理时间为30min；经水洗脱水、烘干，得到预处理玻璃纤维；
（3）称取粒径2nm的石墨烯量子点配制成浓度为0.3mg/mL的分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌100mL石墨烯量子点分散溶液，将预处理后的玻璃纤维加入其中，超声搅拌速度减半，浸渍60min，期间避免纤维缠结，影响涂覆效果；取出玻璃纤维清洗，烘干，待用；
（4）称取石墨烯配制成浓度为0.5mg/mL的石墨烯分散溶液，溶剂为水、丙酮或二甲基亚砜；超声搅拌80mL石墨烯分散溶液，加入步骤（3）制得的玻璃纤维，超声搅拌10min，然后移至聚四氟乙烯的反应釜中，在100℃下保温15min；取出玻璃纤维清洗，烘干，得到石墨烯改性复合玻璃纤维；
（二）玻璃纤维过滤纸的制备，包括以下步骤：
（a）制浆：取50份直径为3.3mm的石墨烯改性复合玻璃纤维和10份直径为0.9μm的石墨烯改性复合玻璃纤维，将两种不同直径的复合玻璃纤维加入打浆机中，然后加入清水和硫酸，使浆料pH＝3.8，质量浓度为2.7%，然后进行打浆分散，打浆时间30min得到纸浆悬浮液；
（b）成型：稀释步骤（a）悬浮液至质量浓度为0.3%，并进行除渣处理；然后将浆料输送至斜网成型器上进行湿法成型，得到湿纸；
（c）施胶：对步骤（b）所得湿纸进行施胶，所施胶料为丙烯酸乳液、和防水乳液的混合液；
（d）脱水：抽吸步骤（c）施胶的湿纸，使湿纸含湿率＜45%；
（e）干燥：100~200℃干燥脱水后的湿纸即得成品。
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