CN108704378A - 一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料及其制备方法 - Google Patents
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Classifications
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- B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
- B01D39/02—Loose filtering material, e.g. loose fibres
Abstract
本发明公开了一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料及其制备方法，该过滤材料的原料包含：石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂、加工助剂；石墨烯复合阻燃母粒的原料包含：石墨烯原料、阻燃剂、热塑性高分子树脂、表面改性剂。本发明还提供了该石墨烯复合阻燃净风过滤材料的制备方法，包含：步骤1，石墨烯‑阻燃剂的表面改性；步骤2，制备石墨烯复合阻燃母粒；步骤3，将石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂切片、加工助剂按照配比进行熔融纺丝制备石墨烯复合阻燃净风过滤材料。本发明提供的石墨烯复合阻燃净风过滤材料及其制备方法，使石墨烯与阻燃剂产生协同作用，降低阻燃剂用量，达到优良的阻燃性能，无需过滤棉制备后进行浸染阻燃剂工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种净化过滤材料及其制备方法，具体地，涉及一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料及其制备方法。
背景技术
随着工业的发展，空气污染越来越严重，关于空气净化的需求也越来越大。家庭的空气需要净化，车辆内部需要空气净化，公共场所需要空气净化，还有生产车间需要空气净化，空气净化器最关键的结构就是过滤棉，过滤棉的质量决定这空气净化器的净化效果。过滤棉就有了它不可或缺的地位，因为很多工业生产必须要在相对洁净的空间进行，如表面处理、油漆涂装、喷涂、精密电子、光学电子、生物制药、食品生产、空气冷却等，这些环境需要流动的空气，但不能有粉尘，所以就需要用过滤棉将粉尘过滤掉，只让洁净的空气在相对封闭的空间里循环起来，从而达到生产运行的需要。
过滤棉的相对耐湿度和防火要求是两个重要的性能指标，但是目前市场上的过滤棉阻燃效果和耐湿度比较差，另一方面，现有技术为使过滤棉达到阻燃效果，在材料配比中加入阻燃纤维和表面喷涂阻燃剂的方法加工而成，其工艺非常复杂，而且阻燃效果不是特别理想，生产成本也比较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种净化过滤材料及其制备方法，通过在高分子材料中添加石墨烯与传统阻燃剂，使得石墨烯与阻燃剂均匀分散与基体高分子材料中，制备出石墨烯与传统阻燃剂协同阻燃的母粒，该种母粒可应用纤维制造行业，熔融纺出的短纤制备的无纺布具有优良的热稳定性，可应用于高温风过滤系统。
为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其中，所述的过滤材料的原料包含：石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂、加工助剂；所述的石墨烯复合阻燃母粒的原料包含：石墨烯原料、阻燃剂、热塑性高分子树脂、表面改性剂。将上述石墨烯原料、热塑性高分子树脂、阻燃剂、表面改性剂熔融混合制备出石墨烯复合阻燃母粒，再将石墨烯复合阻燃母粒与热塑性高分子树脂按照配比进行混合纺丝制备出具有阻燃性能的风过滤系统材料。
上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其中，所述的过滤材料的原料按质量百分比计包含：石墨烯复合阻燃母粒5-15％，热塑性高分子树脂80-90％，加工助剂1-5％。
上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其中，所述的石墨烯复合阻燃母粒的原料按质量百分比计包含：石墨烯原料1-10％，阻燃剂5-30％，热塑性高分子树脂60-90％，表面改性剂1-10％。
上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其中，所述的加工助剂包含抗氧剂1010、抗氧剂168、聚烯烃蜡、硬脂酸盐中的任意一种或多种的组合。
上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其中，所述的石墨烯原料为石墨烯或氧化石墨烯；所述的氧化石墨烯包含偶联剂改性氧化石墨烯、阳离子表面活性剂改性氧化石墨烯、氨基化合物改性氧化石墨烯、溴代烷烃改性石墨烯、氨基化合物改性石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮改性石墨烯、聚乙烯醇改性石墨烯中的任意一种或多种的组合。
上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其中，所述的阻燃剂包含氢氧化镁、氢氧化铝、TDCPP即磷酸三(1，3-二氯丙基)酯、聚磷酸铵、八溴醚、磷酸三苯酯、六溴环十二烷、MPP即聚磷酸密胺盐、硼酸锌、十溴二苯乙烷、包覆红磷、TBC即三(2，3-二溴丙基)异三聚氰酸酯中的任意一种或多种的组合。
上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其中，所述的表面改性剂包含铝酸酯类DL型表面改性剂、钛酸酯类表面改性剂或硅氧烷类表面改性剂中的任意一种或多种的组合。
上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其中，所述的热塑性高分子树脂包含聚烯烃PP(聚丙烯polypropylene)、PE(聚乙烯polyethylene)，聚氨酯PU(polyurethane)，不饱和树脂UPR(unsaturated polyester resin)，尼龙PA(polyamide)6、PA66，聚酯PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯polybutylene terephthalate)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯polyethylene terephthalate)，聚苯乙烯PS(polystyrene)，环氧树脂EP(ethylenepropylene)，聚丙烯晴丁二烯苯乙烯ABS(acrylonitrile butadiene styrenecopolymers)，聚氯乙烯PVC(polyvinyl chloride)中的任意一种或多种的组合。
本发明还提供了上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料的制备方法，其中，所述的方法包含：步骤1，石墨烯-阻燃剂的表面改性：按照配比称取适量的石墨烯原料粉体与阻燃剂粉体，先机械搅拌物理混合均匀，再加入表面改性剂在球磨机中进行球磨分散改性，制备出粉体表面包裹有表面改性剂石墨烯-阻燃剂均匀混合粉体；步骤2，将步骤1制备的石墨烯-阻燃剂混合粉体与热塑性高分子树脂在挤出机中进行熔融共混造粒，制备石墨烯复合阻燃母粒；步骤3，将步骤2制备的石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂切片、加工助剂按照配比进行熔融纺丝制备出用于风过滤系统的石墨烯复合阻燃净风过滤材料。在步骤1中使用的表面改性剂优选铝酸酯类DL型，由于石墨烯本身独特的二维结构，其大π共轭体系导致石墨烯极易发生团聚，进而使得石墨烯在基材中的分散不均匀，因此本发明中采用偶联剂对石墨烯进行表面处理，降低石墨烯微片层间吸引力，从而解决石墨烯易团聚不易分散的加工缺陷。上述偶联剂中，铝酸酯类DL型偶联剂的形态为膏状，在进行改性时可以直接与石墨烯粉体进行研磨，通过研磨使其均匀包裹住石墨烯微片，进而起到偶联改性作用；钛酸酯类和硅氧烷类为粘稠液体，若直接与粉体混合时，其黏附力太大，不易产生滑移，搅拌不均，偶联效果不理想，因此在使用这两种表面改性剂时，应该先用稀释剂对偶联剂进行稀释；铝酸酯类DL型偶联剂在对石墨烯微片进行包裹处理的同时也对阻燃剂进行包裹处理，降低石墨烯粉体与传统阻燃剂之间界面斥力，使得石墨烯与传统阻燃剂在高分子材料中能够发挥出最佳的协同作用。在步骤2中进行石墨烯复合阻燃母粒的制备中，热塑性高分子树脂优选粉状树脂原料，其原因为相同加工工艺下，粉状原料的比表面积更大，在进行熔融共混时，更易使得功能填料在树脂基体中的分散均匀。热塑性高分子树脂的材质优选PP丙纶和PET涤纶，这两种高分子材料制备的过滤棉可广泛应用于风过滤系统中。
上述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料的制备方法，其中，所述的步骤1中的球磨时间为0.5-2小时。
本发明提供的石墨烯复合阻燃净风过滤材料及其制备方法具有以下优点：
本发明的石墨烯复合阻燃风过滤系统材料是由石墨烯复合阻燃母粒与热塑性高分子树脂经过熔融纺丝制得，其中石墨烯复合阻燃母粒是由石墨烯与传统阻燃剂在表面改性剂的作用与热塑性高分子树脂熔融造粒制备而成，关键点在于石墨烯复合阻燃母粒的配方和制备。本发明通过将石墨烯与阻燃剂在表面改性剂的作用下复合与高分子材料中，使得石墨烯与阻燃剂产生协同作用，降低阻燃剂用量，达到优良的阻燃性能，无需过滤棉制备后进行浸染阻燃剂工艺，缩短工艺流程，降低成本。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，该过滤材料的原料包含：石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂、加工助剂；石墨烯复合阻燃母粒的原料包含：石墨烯原料、阻燃剂、热塑性高分子树脂、表面改性剂。
将上述石墨烯原料、热塑性高分子树脂、阻燃剂、表面改性剂熔融混合制备出石墨烯复合阻燃母粒，再将石墨烯复合阻燃母粒与热塑性高分子树脂按照配比进行混合纺丝制备出具有阻燃性能的风过滤系统材料。
优选地，该过滤材料的原料按质量百分比计包含：石墨烯复合阻燃母粒5-15％，热塑性高分子树脂80-90％，加工助剂1-5％。石墨烯复合阻燃母粒的原料按质量百分比计包含：石墨烯原料1-10％，阻燃剂5-30％，热塑性高分子树脂60-90％，表面改性剂1-10％。
加工助剂包含抗氧剂1010、抗氧剂168、聚烯烃蜡、硬脂酸盐中的任意一种或多种的组合。
石墨烯原料为石墨烯或氧化石墨烯；氧化石墨烯包含偶联剂改性氧化石墨烯、阳离子表面活性剂改性氧化石墨烯、氨基化合物改性氧化石墨烯、溴代烷烃改性石墨烯、氨基化合物改性石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮改性石墨烯、聚乙烯醇改性石墨烯中的任意一种或多种的组合。
阻燃剂包含氢氧化镁、氢氧化铝、TDCPP即磷酸三(1，3-二氯丙基)酯、聚磷酸铵、八溴醚、磷酸三苯酯、六溴环十二烷、MPP即聚磷酸密胺盐、硼酸锌、十溴二苯乙烷、包覆红磷、TBC即三(2，3-二溴丙基)异三聚氰酸酯中的任意一种或多种的组合。
表面改性剂包含铝酸酯类DL型表面改性剂、钛酸酯类表面改性剂或硅氧烷类表面改性剂中的任意一种或多种的组合。
热塑性高分子树脂包含聚烯烃PP(聚丙烯polypropylene)、PE(聚乙烯polyethylene)，聚氨酯PU(polyurethane)，不饱和树脂UPR(unsaturated polyesterresin)，尼龙PA(polyamide)6、PA66，聚酯PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯polybutyleneterephthalate)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯polyethylene terephthalate)，聚苯乙烯PS(polystyrene)，环氧树脂EP(ethylene propylene)，聚丙烯晴丁二烯苯乙烯ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymers)，聚氯乙烯PVC(polyvinyl chloride)中的任意一种或多种的组合。
本发明还提供了该石墨烯复合阻燃净风过滤材料的制备方法，该方法包含：
步骤1，石墨烯-阻燃剂的表面改性：按照配比称取适量的石墨烯原料粉体与阻燃剂粉体，先机械搅拌物理混合均匀，再加入表面改性剂在球磨机中进行球磨分散改性，制备出粉体表面包裹有表面改性剂石墨烯-阻燃剂均匀混合粉体；步骤2，将步骤1制备的石墨烯-阻燃剂混合粉体与热塑性高分子树脂在挤出机中进行熔融共混造粒，制备石墨烯复合阻燃母粒；步骤3，将步骤2制备的石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂切片、加工助剂按照配比进行熔融纺丝制备出用于风过滤系统的石墨烯复合阻燃净风过滤材料。
步骤1中的球磨时间为0.5-2小时。
下面结合实施例对本发明提供的石墨烯复合阻燃净风过滤材料及其制备方法做更进一步描述。
实施例1
一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料，该过滤材料的原料按质量百分比计包含：石墨烯复合阻燃母粒5％，热塑性高分子树脂90％，加工助剂5％。该石墨烯复合阻燃母粒的原料按质量百分比计包含：石墨烯原料1％，阻燃剂5％，热塑性高分子树脂90％，表面改性剂4％。
加工助剂为抗氧剂1010。热塑性高分子树脂为聚烯烃PP或PE。石墨烯原料为石墨烯。阻燃剂为氢氧化镁或氢氧化铝。表面改性剂为铝酸酯类DL型表面改性剂。
实施例2
一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料，该过滤材料的原料按质量百分比计包含：石墨烯复合阻燃母粒10％，热塑性高分子树脂88％，加工助剂2％。该石墨烯复合阻燃母粒的原料按质量百分比计包含：石墨烯原料5％，阻燃剂10％，热塑性高分子树脂84％，表面改性剂1％。
加工助剂为抗氧剂168。热塑性高分子树脂为聚氨酯PU或不饱和树脂UPR。石墨烯原料为氧化石墨烯，优选为偶联剂改性氧化石墨烯或阳离子表面活性剂改性氧化石墨烯。阻燃剂为TDCPP或MPP。表面改性剂为铝酸酯类DL型表面改性剂。
实施例3
一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料，该过滤材料的原料按质量百分比计包含：石墨烯复合阻燃母粒15％，热塑性高分子树脂82％，加工助剂3％。该石墨烯复合阻燃母粒的原料按质量百分比计包含：石墨烯原料10％，阻燃剂20％，热塑性高分子树脂60％，表面改性剂10％。
加工助剂为聚烯烃蜡。热塑性高分子树脂为尼龙PA6和PA66的混合物。石墨烯原料为氧化石墨烯，优选为溴代烷烃改性石墨烯。阻燃剂为聚磷酸铵、八溴醚、磷酸三苯酯中的任意一种。表面改性剂为铝酸酯类DL型表面改性剂。
实施例4
一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料，该过滤材料的原料按质量百分比计包含：石墨烯复合阻燃母粒12％，热塑性高分子树脂87％，加工助剂1％。该石墨烯复合阻燃母粒的原料按质量百分比计包含：石墨烯原料2％，阻燃剂30％，热塑性高分子树脂66％，表面改性剂2％。
加工助剂为硬脂酸盐。热塑性高分子树脂为聚酯PBT和PET的混合物。石墨烯原料为氧化石墨烯，优选为氨基化合物改性氧化石墨烯或氨基化合物改性石墨烯。阻燃剂为六溴环十二烷、十溴二苯乙烷、硼酸锌中的任意一种或多种的组合。表面改性剂为钛酸酯类表面改性剂。
实施例5
一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料，该过滤材料的原料按质量百分比计包含：石墨烯复合阻燃母粒15％，热塑性高分子树脂80％，加工助剂5％。该石墨烯复合阻燃母粒的原料按质量百分比计包含：石墨烯原料7％，阻燃剂15％，热塑性高分子树脂70％，表面改性剂8％。
加工助剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的混合物。热塑性高分子树脂为聚苯乙烯PS，环氧树脂EP，聚丙烯晴丁二烯苯乙烯ABS，聚氯乙烯PVC中的任意一种或多种的组合。石墨烯原料为氧化石墨烯，优选为石墨烯聚乙烯吡咯烷酮改性石墨烯、聚乙烯醇改性石墨烯的混合物。阻燃剂为包覆红磷或TBC。表面改性剂为硅氧烷类表面改性剂。
本发明还提供了该石墨烯复合阻燃净风过滤材料的制备方法，该方法包含：
步骤1，石墨烯-阻燃剂的表面改性：按照实施例1～5中任意一例的配比称取适量的石墨烯粉体与阻燃剂粉体，先机械搅拌物理混合均匀，再加入表面改性剂在球磨机中进行球磨分散改性，球磨时间为0.5-2小时，制备出粉体表面包裹有表面改性剂石墨烯-阻燃剂均匀混合粉体。
步骤2，将步骤1制备的石墨烯-阻燃剂混合粉体与热塑性高分子树脂在挤出机中进行熔融共混造粒，制备石墨烯复合阻燃母粒。
步骤3，将步骤2制备的石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂切片、加工助剂按照配比进行熔融纺丝制备出用于风过滤系统的石墨烯复合阻燃净风过滤材料。
在步骤1中使用的表面改性剂优选铝酸酯类DL型，由于石墨烯本身独特的二维结构，其大π共轭体系导致石墨烯极易发生团聚，进而使得石墨烯在基材中的分散不均匀，因此本发明中采用偶联剂对石墨烯进行表面处理，降低石墨烯微片层间吸引力，从而解决石墨烯易团聚不易分散的加工缺陷。上述偶联剂中，铝酸酯类DL型偶联剂的形态为膏状，在进行改性时可以直接与石墨烯粉体进行研磨，通过研磨使其均匀包裹住石墨烯微片，进而起到偶联改性作用；钛酸酯类和硅氧烷类为粘稠液体，若直接与粉体混合时，其黏附力太大，不易产生滑移，搅拌不均，偶联效果不理想，因此在使用这两种表面改性剂时，应该先用稀释剂对偶联剂进行稀释；铝酸酯类DL型偶联剂在对石墨烯微片进行包裹处理的同时也对阻燃剂进行包裹处理，降低石墨烯粉体与传统阻燃剂之间界面斥力，使得石墨烯与传统阻燃剂在高分子材料中能够发挥出最佳的协同作用。
在步骤2中进行石墨烯复合阻燃母粒的制备中，热塑性高分子树脂优选粉状树脂原料，其原因为相同加工工艺下，粉状原料的比表面积更大，在进行熔融共混时，更易使得功能填料在树脂基体中的分散均匀。热塑性高分子树脂的材质优选PP丙纶和PET涤纶，这两种高分子材料制备的过滤棉可广泛应用于风过滤系统中。
本发明提供的石墨烯复合阻燃净风过滤材料及其制备方法，制备的石墨烯复合阻燃风过滤系统材料可制备具有阻燃性能的过滤棉，其原理为：石墨烯是一种由碳原子构成的具有二维平面层状结构的碳基纳米材料，它具有大的比表面积和优异的机械性能，利用石墨烯片层对气体的阻隔性能，可以提高聚合物复合材料的热稳定性和阻燃性能，但是在聚合物燃烧过程中，单纯的石墨烯由于其在燃烧时较差的热氧化稳定性，减弱了燃烧时在聚合物基体中的物理屏障，降低了其阻燃效率，本发明通过将石墨烯与阻燃剂在表面改性剂的作用下复合与高分子材料中，使得石墨烯与阻燃剂产生协同作用，降低阻燃剂用量，达到优良的阻燃性能，无需过滤棉制备后进行浸染阻燃剂工艺，缩短工艺流程，降低成本。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其特征在于，所述的过滤材料的原料包含：石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂、加工助剂；所述的石墨烯复合阻燃母粒的原料包含：石墨烯原料、阻燃剂、热塑性高分子树脂、表面改性剂。
2.如权利要求1所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其特征在于，所述的过滤材料的原料按质量百分比计包含：石墨烯复合阻燃母粒5-15％，热塑性高分子树脂80-90％，加工助剂1-5％。
3.如权利要求2所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其特征在于，所述的石墨烯复合阻燃母粒的原料按质量百分比计包含：石墨烯原料1-10％，阻燃剂5-30％，热塑性高分子树脂60-90％，表面改性剂1-10％。
4.如权利要求2所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其特征在于，所述的加工助剂包含抗氧剂1010、抗氧剂168、聚烯烃蜡、硬脂酸盐中的任意一种或多种的组合。
5.如权利要求3所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其特征在于，所述的石墨烯原料为石墨烯或氧化石墨烯；所述的氧化石墨烯包含偶联剂改性氧化石墨烯、阳离子表面活性剂改性氧化石墨烯、氨基化合物改性氧化石墨烯、溴代烷烃改性石墨烯、氨基化合物改性石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮改性石墨烯、聚乙烯醇改性石墨烯中的任意一种或多种的组合。
6.如权利要求3所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其特征在于，所述的阻燃剂包含氢氧化镁、氢氧化铝、TDCPP、聚磷酸铵、八溴醚、磷酸三苯酯、六溴环十二烷、MPP、硼酸锌、十溴二苯乙烷、包覆红磷、TBC中的任意一种或多种的组合。
7.如权利要求3所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其特征在于，所述的表面改性剂包含铝酸酯类DL型表面改性剂、钛酸酯类表面改性剂或硅氧烷类表面改性剂中的任意一种或多种的组合。
8.如权利要求1所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料，其特征在于，所述的热塑性高分子树脂包含聚烯烃PP、PE，聚氨酯PU，不饱和树脂UPR，尼龙PA6、PA66，聚酯PBT、PET，聚苯乙烯PS，环氧树脂EP，聚丙烯晴丁二烯苯乙烯ABS，聚氯乙烯PVC中的任意一种或多种的组合。
9.一种如权利要求1～8中任意一项所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包含：
步骤1，石墨烯-阻燃剂的表面改性：按照配比称取适量的石墨烯原料粉体与阻燃剂粉体，先机械搅拌物理混合均匀，再加入表面改性剂在球磨机中进行球磨分散改性，制备出粉体表面包裹有表面改性剂石墨烯-阻燃剂均匀混合粉体；
步骤2，将步骤1制备的石墨烯-阻燃剂混合粉体与热塑性高分子树脂在挤出机中进行熔融共混造粒，制备石墨烯复合阻燃母粒；
步骤3，将步骤2制备的石墨烯复合阻燃母粒、热塑性高分子树脂切片、加工助剂按照配比进行熔融纺丝制备出用于风过滤系统的石墨烯复合阻燃净风过滤材料。
10.如权利要求9所述的石墨烯复合阻燃净风过滤材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中的球磨时间为0.5-2小时。
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