CN107999052A - 一种光催化降解复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化降解复合材料的制备方法，由硅烷偶联剂、酞酸丁酯、无水乙醇、椰壳、苯酚、聚乙烯醇等原料制成，本发明以椰壳制备多孔碳纤维，经多次改性工艺处理，得到高机械强度、高吸附性的多孔碳纤维，能够有效的负载并分散二氧化钛光催化剂，提高接触面积，增加催化效率，且碳结构的稳定性保证了材料的长效使用，由此获得的活性碳纤维具备吸附与降解双重功能，同时制备成本低廉，方法简单，可以进行大量生产，针对各类封闭及半开放环境中的杀菌和环境净化具有显著作用。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，尤其涉及一种光催化降解复合材料的制备方法。
背景技术
近年来伴随着我国的工业发展，环境污染已经严重影响了人民的生活和身体健康，随着人类对生活环境要求的日益提高，除了对外界周围开放环境的质量要求较高外，还对其所生活和娱乐的封闭或半封闭环境质量也提出了较高的要求，此类封闭环境如酒吧、迪厅、K 歌房、汽车车厢等，由于人流量巨大、装修装饰材料及家具的污染，使得其中的细菌、真菌等含量偏高，对其的处理成为一个亟待解决的问题。
多孔碳纤维是一种新型的多孔纤维状吸附材料，因其独特的孔隙结构和形态而具有较一般多孔炭更大的比表面积、更高的孔容、更快的吸附速率和更强的再生能力。自从上世纪七十年代问世以来，就被广泛应用于空气净化、废气废水处理、军事防护、金属回收、电子器材等方面。目前，市场上的多孔碳纤维主要有聚丙烯腈基多孔碳纤维、沥青基多孔碳纤维、粘胶基多孔碳纤维和酚醛基多孔碳纤维等，不同碳纤维在碳化速度、产碳率、孔隙率以及碳化后的韧性均不一样。因此，需要结合传统碳纤维制备方法，通过优化改进工艺，提供孔径小、孔隙率高、纤维均一性好以及结合力强的多孔碳纤维。
碳纤维尽管具有较大的吸附能力及效果，但其自身不能消纳污染物，容易造成二次污染。光催化处理技术由于可以将有机污染物还原成无机物，且反应速度快，光的利用效率高及无二次污染等特性被广泛关注。其中，如何提高光催化材料对于环境污染的处理能力成为研究的热点。其中一种方法是将碳与光催化剂复合，利用碳的导电性，提高光催化剂的性能。
由于碳纤维的制备工艺包括碳化或石墨化，使得碳纤维表面的碳原子堆叠取向更一致，原子层间距更小，所以纤维表面表现为非极性和化学惰性，另外碳纤维表面有疏水、光滑、吸附性能低等缺点，导致碳纤维与其复合的材料间界面粘结性差。因此，需要对碳纤维表面进行改性，提高其与复合材料的界面粘结强度。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种光催化降解复合材料的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种光催化降解复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将硅烷偶联剂和80%乙醇溶液按质量比（0.5-1）：20混合搅拌均匀，得混合液A备用，将酞酸丁酯和无水乙醇按质量比1：（10-15）混合搅拌均匀，得混合液B备用；
（2）将纺丝液置于静电纺丝仪中，使用铝箔纸包裹接收器，使初纺纤维收集在铝箔纸上，纺丝过程工艺参数为正压15-16kV，负压1.5-2kV，推进速率0.04-0.05mm/min，接收速率30-32r/min，针头与接收器之间距离为15-18cm，环境温度30-40℃，纺丝完成后在室温下静置一天，得到初纺纤维，再将其置于烘箱中，升温至160-170℃固化60-70分钟，取出后再送入管式炉中，在氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率从室温升至750-850℃，保温1-2小时，自然冷却后得到碳纤维备用；
（3）以步骤2所得碳纤维作为阳极，石墨为阴极，在质量分数为8-10%的磷酸铵电解质中，控制电流密度为0.3-0.35A/m2，阳极氧化处理1.5-2分钟，收集碳纤维用清水冲洗净，得到改性碳纤维备用；
（4）将步骤3所得改性碳纤维浸入步骤1所得混合液A中，浸润后收集并送入干燥箱中于65-85℃烘干备用；
（5）将步骤4所得产物与步骤1所得混合液B按质量比1：（8-10）混合，再用乙酸溶液调节pH至3.5-4.5，之后置于水热高压反应釜中，在150-160℃下恒温反应20-24小时，反应结束后将反应釜内碳纤维用乙醇和清水反复清洗，并于50-60℃下干燥，即得本发明复合材料。
所述硅烷偶联剂为疏丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、疏丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。
所述步骤2中纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100-120目筛，烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比（5-7）：（20-25）：（0.6-0.9）混合并搅拌均匀，置于140-160℃油浴锅中反应100-120分钟，之后降至室温，加入氢氧化钠中和pH至中性，将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1：（9-11）混合搅拌60-80分钟，离心并过滤，除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60-70℃下浓缩，除去二恶烷，得纯液化物，再与聚乙烯醇按质量比（45-46）：（4-5）混合后用氢氧化钠调节pH至10-11，之后加入甲醛溶液，升温至80-85℃，反应2-3小时后冷却至室温，得到纺丝液。
所述步骤4中浸渍过程循环3-6次，每次待改性碳纤维全部浸润后取出并滤干，之后再次浸渍。
所述步骤5中乙酸溶液物质的量浓度为0.5mol/L。
所述的纺丝液的制备方法，加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n（甲醛）：n（苯酚）=（1.4-1.5）：1。
本发明的优点是：
本发明采用苯酚液化的方法，将椰壳液化为多活性小分子，避免传统木质素因结构复杂且含大量杂质，直接用于纺丝效果不理想的缺陷，再以酚醛为单元连接为高聚物，具有更快的碳化速度、更高的产碳率和孔隙率，并且酚醛树脂由于形成交联结构，所以碳化后仍可保持一定韧性，再结合静电纺丝优化的工艺参数处理，较传统的熔融纺丝，使纤维直径更细，达到纳米级，从而具有更大的比表面积，以此得到的巨大吸附性能能够有效的负载并分散二氧化钛光催化剂，提高接触面积，增加催化效率，且碳结构的稳定性保证了材料的长效使用，由此获得的活性碳纤维具备吸附与降解双重功能，同时制备成本低廉，方法简单，可以进行大量生产，针对各类封闭及半开放环境中的杀菌和环境净化具有显著作用。
具体实施方式
一种光催化降解复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氨丙基三乙氧基硅烷和80%乙醇溶液按质量比0.8：20混合搅拌均匀，得混合液A备用，将酞酸丁酯和无水乙醇按质量比1：12混合搅拌均匀，得混合液B备用；
（2）将纺丝液置于静电纺丝仪中，使用铝箔纸包裹接收器，使初纺纤维收集在铝箔纸上，纺丝过程工艺参数为正压15kV，负压1.5kV，推进速率0.04mm/min，接收速率30r/min，针头与接收器之间距离为15cm，环境温度30℃，纺丝完成后在室温下静置一天，得到初纺纤维，再将其置于烘箱中，升温至160℃固化60分钟，取出后再送入管式炉中，在氮气气氛下以5℃/min的升温速率从室温升至750℃，保温1小时，自然冷却后得到碳纤维备用；
（3）以步骤2所得碳纤维作为阳极，石墨为阴极，在质量分数为8%的磷酸铵电解质中，控制电流密度为0.3A/m2，阳极氧化处理1.5分钟，收集碳纤维用清水冲洗净，得到改性碳纤维备用；
（4）将步骤3所得改性碳纤维浸入步骤1所得混合液A中，浸润后收集并送入干燥箱中于65℃烘干备用，浸渍过程循环3次，每次待改性碳纤维全部浸润后取出并滤干，之后再次浸渍；
（5）将步骤4所得产物与步骤1所得混合液B按质量比1：9混合，再用物质的量浓度为0.5mol/L乙酸溶液调节pH至3.5，之后置于水热高压反应釜中，在150℃下恒温反应20小时，反应结束后将反应釜内碳纤维用乙醇和清水反复清洗，并于50℃下干燥，即得本发明复合材料。
所述纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100目筛，烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比6：22：0.8混合并搅拌均匀，置于140℃油浴锅中反应100分钟，之后降至室温，加入氢氧化钠中和pH至中性，将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1：10混合搅拌60分钟，离心并过滤，除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60℃下浓缩，除去二恶烷，得纯液化物，再与聚乙烯醇按质量比45：4混合后用氢氧化钠调节pH至10，之后加入甲醛溶液，加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n（甲醛）：n（苯酚）=1.5：1，升温至80℃，反应2小时后冷却至室温，得到纺丝液。
Claims (6)
1.一种光催化降解复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将硅烷偶联剂和80%乙醇溶液按质量比（0.5-1）：20混合搅拌均匀，得混合液A备用，将酞酸丁酯和无水乙醇按质量比1：（10-15）混合搅拌均匀，得混合液B备用；
（2）将纺丝液置于静电纺丝仪中，使用铝箔纸包裹接收器，使初纺纤维收集在铝箔纸上，纺丝过程工艺参数为正压15-16kV，负压1.5-2kV，推进速率0.04-0.05mm/min，接收速率30-32r/min，针头与接收器之间距离为15-18cm，环境温度30-40℃，纺丝完成后在室温下静置一天，得到初纺纤维，再将其置于烘箱中，升温至160-170℃固化60-70分钟，取出后再送入管式炉中，在氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率从室温升至750-850℃，保温1-2小时，自然冷却后得到碳纤维备用；
（3）以步骤2所得碳纤维作为阳极，石墨为阴极，在质量分数为8-10%的磷酸铵电解质中，控制电流密度为0.3-0.35A/m2，阳极氧化处理1.5-2分钟，收集碳纤维用清水冲洗净，得到改性碳纤维备用；
（4）将步骤3所得改性碳纤维浸入步骤1所得混合液A中，浸润后收集并送入干燥箱中于65-85℃烘干备用；
（5）将步骤4所得产物与步骤1所得混合液B按质量比1：（8-10）混合，再用乙酸溶液调节pH至3.5-4.5，之后置于水热高压反应釜中，在150-160℃下恒温反应20-24小时，反应结束后将反应釜内碳纤维用乙醇和清水反复清洗，并于50-60℃下干燥，即得本发明复合材料。
2.根据权利要求1所述的光催化降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为疏丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、疏丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的光催化降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100-120目筛，烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比（5-7）：（20-25）：（0.6-0.9）混合并搅拌均匀，置于140-160℃油浴锅中反应100-120分钟，之后降至室温，加入氢氧化钠中和pH至中性，将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1：（9-11）混合搅拌60-80分钟，离心并过滤，除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60-70℃下浓缩，除去二恶烷，得纯液化物，再与聚乙烯醇按质量比（45-46）：（4-5）混合后用氢氧化钠调节pH至10-11，之后加入甲醛溶液，升温至80-85℃，反应2-3小时后冷却至室温，得到纺丝液。
4.根据权利要求1所述的光催化降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中浸渍过程循环3-6次，每次待改性碳纤维全部浸润后取出并滤干，之后再次浸渍。
5.根据权利要求1所述的光催化降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中乙酸溶液物质的量浓度为0.5mol/L。
6.根据权利要求3所述的纺丝液的制备方法，其特征在于，加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n（甲醛）：n（苯酚）=（1.4-1.5）：1。
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