CN108975715A - 一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：（1）使用废玻璃、SiO2、MgO、SiN、碳化硼、CaO、ZnO制备玻璃液，然后加热后拉制成玻璃纤维；（2）将玻璃纤维用HCl溶液进行处理后再用γ‑氨丙基三乙氧基硅烷进行修饰；（3）将羧基改性碳纳米管用碳二亚胺处理后与玻璃纤维进行混合，再加入聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体、硬脂酸三甲基氯化铵、氧化锌晶须、十二烷基苯磺酸、乙氧基月硅酸胺、二硫化钼、硬脂酸钙、聚乙烯醇进行处理，制得空气过滤的抗静电玻璃纤维。本发明制得的玻璃纤维具有良好的机械强度和抗静电性能，因此本发明制得的玻璃纤维应用于空气过滤具有重要的使用价值。

Description

一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法
技术领域
本发明属于空气过滤材料技术领域，具体涉及一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法。
背景技术
随着现代化工业的高速发展，环境污染正在严重威胁着人类的生活与健康，国家对空气环境质量重视程度的不断提高，将PM 2.5纳入新的空气质量评价体系。如何利用高效的过滤材料减少空气中有害气体进入人体或者对排放的有害气体进行有效过滤已迫在眉睫。为了能实现空气净化的目的，新型优质的过滤材料逐步成为科研工作者的研究热点。过滤材料通常以植物纤维、合成纤维和无机纤维等为原料，添加一定的化学助剂，使用干法或湿法造纸工艺及设备抄造而成。纤维滤料具有易加工、价格低廉、比表面积大、多孔性和柔软性好等特点，现已成为空气过滤材料的主导产品。
玻璃纤维具有尺寸稳定性较强、不易变形、电绝缘性好、抗药品性好，及具有耐酸碱、耐油、耐腐蚀、耐热性好、热传导性小等优良特性。因而，玻璃纤维纸具有极高的过滤效率、很好的化学稳定性和较低的阻力，成为高效和超高效空气过滤器的首选材料，适用于各个领域的空气净化的应用。但是，玻璃纤维也存在一些不足：纤维长径比大，表面带有电荷，物理强度较低、脆性大。表面电荷容易造成空气中的带电分子在过滤材料表面的吸附，堵塞过滤材料，影响过滤效果。同时，较低的机械强度影响玻璃纤维的使用寿命，因此进一步研究用于空气过滤的玻璃纤维具有重要的价值。
发明内容
为了解决以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）将废玻璃30-50份、SiO2 20-40份、MgO 10-20份、SiN 8-16份、碳化硼6-12份、CaO5-10份、ZnO 7-14份加入粉碎搅拌机中粉碎并搅拌均匀，然后将粉碎后的原料置入坩埚中，并将其置入电阻炉中将混合料进行熔融，将熔融后的原料浇铸成型后放入马弗炉中进行退火制得玻璃，将制得的玻璃加热后拉制成玻璃纤维；
（2）将玻璃纤维浸入1-5M的HCl溶液中，在30-40℃的温度下搅拌处理30-60min，通过抽滤去除HCl溶液并用水溶液将玻璃纤维洗至中性，用5-10倍于玻璃纤维重量份的pH8.0-8.5的碳酸盐缓冲液将玻璃纤维进行重悬，在搅拌的状态下加入质量分数为10-20%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，将反应温度升高至40-50℃，继续搅拌反应1-2h，通过抽滤去除溶液，将修饰后的玻璃纤维用清水洗涤后抽滤，获得的固体玻璃纤维置于烘箱中烘干；
（3）将50份羧基改性碳纳米管加入5-10份质量分数为15-30%的碳二亚胺水溶液中，用pH调节剂将pH调节到7.4-8.0，在室温下搅拌处理4-8h，然后加入80-100份步骤（2）制得的玻璃纤维，于室温下继续搅拌处理6-10h，然后依次加入聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体4-9份、硬脂酸三甲基氯化铵2-5份、氧化锌晶须5-12份、十二烷基苯磺酸3-7份、乙氧基月硅酸胺2-6份、二硫化钼5-10份、硬脂酸钙2-8份、聚乙烯醇1-5份，将反应体系加热至60-80℃，继续搅拌反应20-40min，取出玻璃纤维后用清水进行清洗烘干，制得空气过滤的抗静电玻璃纤维。
优选的，所述步骤（1）中各原料的重量份为废玻璃40份、SiO2 30份、MgO 15份、SiN12份、碳化硼9份、CaO 7.5份、ZnO 10.5份。
优选的，所述步骤（1）中的熔融温度为1300-1400℃。
优选的，所述步骤（1）中的退火温度为400-500℃。
优选的，所述碳纳米管的管径为15-30nm，长度为0.5-1μm。
优选的，所述pH调节剂为NaOH或K2CO3。
有益效果：本发明提供了一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，首选进行玻璃纤维的制备，在玻璃纤维的制备原料中添加有SiN和碳化硼，这两种原料的添加赋予了玻璃纤维良好的机械强度，同时有利于改善玻璃纤维的抗静电性能。经过酸处理的玻璃纤维表面暴露出大量的Si-OH基团，然后经γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性后，玻璃纤维表面富含大量的氨基基团，然后再与羧基改性的碳纳米管进行交联，使得碳纳米管牢固的附着在玻璃纤维的表面，然后再与其他助剂作用，协同提高玻璃纤维的抗静电性能。通过测试结果得知，本发明制得的玻璃纤维具有良好的机械强度和抗静电性能，其拉伸强度高达88.5 MPa，断裂伸长率高达84.3%，表面电阻低至0.5×102Ω/sq，通过与对比例的比较得知，SiN和碳化硼对玻璃纤维的机械强度具有重要的作用，同时能够影响玻璃纤维的抗静电效果。羧基改性的碳纳米管比SiN和碳化硼对玻璃纤维的抗静电效果影响更大。因此本发明制得的玻璃纤维应用于空气过滤具有重要的使用价值。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1
一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）将废玻璃40份、SiO2 30份、MgO 15份、SiN 12份、碳化硼9份、CaO 7.5份、ZnO 10.5份加入粉碎搅拌机中粉碎并搅拌均匀，然后将粉碎后的原料置入坩埚中，并将其置入电阻炉中将混合料进行熔融，将熔融后的原料浇铸成型后放入马弗炉中进行退火制得玻璃，将制得的玻璃加热后拉制成玻璃纤维；
（2）将玻璃纤维浸入2.5M的HCl溶液中，在35℃的温度下搅拌处理45min，通过抽滤去除HCl溶液并用水溶液将玻璃纤维洗至中性，用8倍于玻璃纤维重量份的pH8.2的碳酸盐缓冲液将玻璃纤维进行重悬，在搅拌的状态下加入质量分数为15%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，将反应温度升高至45℃，继续搅拌反应1.5h，通过抽滤去除溶液，将修饰后的玻璃纤维用清水洗涤后抽滤，获得的固体玻璃纤维置于烘箱中烘干；
（3）将50份羧基改性碳纳米管加入8份质量分数为23%的碳二亚胺水溶液中，用pH调节剂将pH调节到7.7，在室温下搅拌处理6h，然后加入90份步骤（2）制得的玻璃纤维，于室温下继续搅拌处理8h，然后依次加入聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体6.5份、硬脂酸三甲基氯化铵3.5份、氧化锌晶须8份、十二烷基苯磺酸5份、乙氧基月硅酸胺4份、二硫化钼8份、硬脂酸钙5份、聚乙烯醇2.5份，将反应体系加热至70℃，继续搅拌反应30min，取出玻璃纤维后用清水进行清洗烘干，制得空气过滤的抗静电玻璃纤维。
所述步骤（1）中的熔融温度为1350℃。
所述步骤（1）中的退火温度为450℃。
所述碳纳米管的管径为22nm，长度为0.8μm。
所述pH调节剂为NaOH。
实施例2
一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）将废玻璃30份、SiO2 20份、MgO 10份、SiN 8份、碳化硼6份、CaO 5份、ZnO 7份加入粉碎搅拌机中粉碎并搅拌均匀，然后将粉碎后的原料置入坩埚中，并将其置入电阻炉中将混合料进行熔融，将熔融后的原料浇铸成型后放入马弗炉中进行退火制得玻璃，将制得的玻璃加热后拉制成玻璃纤维；
（2）将玻璃纤维浸入1M的HCl溶液中，在30℃的温度下搅拌处理30min，通过抽滤去除HCl溶液并用水溶液将玻璃纤维洗至中性，用5倍于玻璃纤维重量份的pH8.0的碳酸盐缓冲液将玻璃纤维进行重悬，在搅拌的状态下加入质量分数为10%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，将反应温度升高至40℃，继续搅拌反应1h，通过抽滤去除溶液，将修饰后的玻璃纤维用清水洗涤后抽滤，获得的固体玻璃纤维置于烘箱中烘干；
（3）将50份羧基改性碳纳米管加入5份质量分数为15%的碳二亚胺水溶液中，用pH调节剂将pH调节到7.4，在室温下搅拌处理4h，然后加入80份步骤（2）制得的玻璃纤维，于室温下继续搅拌处理6h，然后依次加入聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体4份、硬脂酸三甲基氯化铵2份、氧化锌晶须5份、十二烷基苯磺酸3份、乙氧基月硅酸胺2份、二硫化钼5份、硬脂酸钙2份、聚乙烯醇1份，将反应体系加热至60℃，继续搅拌反应20min，取出玻璃纤维后用清水进行清洗烘干，制得空气过滤的抗静电玻璃纤维。
所述步骤（1）中的熔融温度为1300℃。
所述步骤（1）中的退火温度为400℃。
所述碳纳米管的管径为15nm，长度为0.5μm。
所述pH调节剂为NaOH。
实施例3
一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）将废玻璃35份、SiO2 25份、MgO 12份、SiN 10份、碳化硼8份、CaO 6份、ZnO 8份加入粉碎搅拌机中粉碎并搅拌均匀，然后将粉碎后的原料置入坩埚中，并将其置入电阻炉中将混合料进行熔融，将熔融后的原料浇铸成型后放入马弗炉中进行退火制得玻璃，将制得的玻璃加热后拉制成玻璃纤维；
（2）将玻璃纤维浸入2M的HCl溶液中，在32℃的温度下搅拌处理40min，通过抽滤去除HCl溶液并用水溶液将玻璃纤维洗至中性，用6倍于玻璃纤维重量份的pH8.2的碳酸盐缓冲液将玻璃纤维进行重悬，在搅拌的状态下加入质量分数为10-20%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，将反应温度升高至42℃，继续搅拌反应1.2h，通过抽滤去除溶液，将修饰后的玻璃纤维用清水洗涤后抽滤，获得的固体玻璃纤维置于烘箱中烘干；
（3）将50份羧基改性碳纳米管加入6份质量分数为20%的碳二亚胺水溶液中，用pH调节剂将pH调节到7.5，在室温下搅拌处理5h，然后加入85份步骤（2）制得的玻璃纤维，于室温下继续搅拌处理7h，然后依次加入聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体5份、硬脂酸三甲基氯化铵3份、氧化锌晶须7份、十二烷基苯磺酸4份、乙氧基月硅酸胺4份、二硫化钼6份、硬脂酸钙4份、聚乙烯醇2份，将反应体系加热至65℃，继续搅拌反应25min，取出玻璃纤维后用清水进行清洗烘干，制得空气过滤的抗静电玻璃纤维。
所述步骤（1）中的熔融温度为1320℃。
所述步骤（1）中的退火温度为420℃。
所述碳纳米管的管径为20nm，长度为0.6μm。
所述pH调节剂为K2CO3。
实施例4
一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）将废玻璃50份、SiO2 40份、MgO 20份、SiN 16份、碳化硼12份、CaO 10份、ZnO 14份加入粉碎搅拌机中粉碎并搅拌均匀，然后将粉碎后的原料置入坩埚中，并将其置入电阻炉中将混合料进行熔融，将熔融后的原料浇铸成型后放入马弗炉中进行退火制得玻璃，将制得的玻璃加热后拉制成玻璃纤维；
（2）将玻璃纤维浸入5M的HCl溶液中，在40℃的温度下搅拌处理60min，通过抽滤去除HCl溶液并用水溶液将玻璃纤维洗至中性，用10倍于玻璃纤维重量份的pH8.5的碳酸盐缓冲液将玻璃纤维进行重悬，在搅拌的状态下加入质量分数为20%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，将反应温度升高至50℃，继续搅拌反应2h，通过抽滤去除溶液，将修饰后的玻璃纤维用清水洗涤后抽滤，获得的固体玻璃纤维置于烘箱中烘干；
（3）将50份羧基改性碳纳米管加入10份质量分数为30%的碳二亚胺水溶液中，用pH调节剂将pH调节到8.0，在室温下搅拌处理8h，然后加入100份步骤（2）制得的玻璃纤维，于室温下继续搅拌处理10h，然后依次加入聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体9份、硬脂酸三甲基氯化铵5份、氧化锌晶须12份、十二烷基苯磺酸7份、乙氧基月硅酸胺6份、二硫化钼10份、硬脂酸钙8份、聚乙烯醇5份，将反应体系加热至80℃，继续搅拌反应40min，取出玻璃纤维后用清水进行清洗烘干，制得空气过滤的抗静电玻璃纤维。
所述步骤（1）中的熔融温度为1400℃。
所述步骤（1）中的退火温度为00℃。
所述碳纳米管的管径为30nm，长度为1μm。
所述pH调节剂为K2CO3。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：对比例1中未添加SiN和碳化硼。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于：对比例2中未添加羧基改性的碳纳米管。
将实施例1-4和对比例1-2制得的玻璃纤维进行以下性能测试。测定结果如表1所示。从表1中得出，本发明制得的玻璃纤维具有良好的机械强度和抗静电性能，其拉伸强度高达88.5 MPa，断裂伸长率高达84.3%，表面电阻低至0.5×102Ω/sq，通过与对比例的比较得知，SiN和碳化硼对玻璃纤维的机械强度具有重要的作用，同时能够影响玻璃纤维的抗静电效果。羧基改性的碳纳米管比SiN和碳化硼对玻璃纤维的抗静电效果影响更大。
表1

Claims (6)

1.一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将废玻璃30-50份、SiO2 20-40份、MgO 10-20份、SiN 8-16份、碳化硼6-12份、CaO 5-10份、ZnO 7-14份加入粉碎搅拌机中粉碎并搅拌均匀，然后将粉碎后的原料置入坩埚中，并将其置入电阻炉中将混合料进行熔融，将熔融后的原料浇铸成型后放入马弗炉中进行退火制得玻璃，将制得的玻璃加热后拉制成玻璃纤维；
（2）将玻璃纤维浸入1-5M的HCl溶液中，在30-40℃的温度下搅拌处理30-60min，通过抽滤去除HCl溶液并用水溶液将玻璃纤维洗至中性，用5-10倍于玻璃纤维重量份的pH8.0-8.5的碳酸盐缓冲液将玻璃纤维进行重悬，在搅拌的状态下加入质量分数为10-20%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，将反应温度升高至40-50℃，继续搅拌反应1-2h，通过抽滤去除溶液，将修饰后的玻璃纤维用清水洗涤后抽滤，获得的固体玻璃纤维置于烘箱中烘干；
（3）将50份羧基改性碳纳米管加入5-10份质量分数为15-30%的碳二亚胺水溶液中，用pH调节剂将pH调节到7.4-8.0，在室温下搅拌处理4-8h，然后加入80-100份步骤（2）制得的玻璃纤维，于室温下继续搅拌处理6-10h，然后依次加入聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体4-9份、硬脂酸三甲基氯化铵2-5份、氧化锌晶须5-12份、十二烷基苯磺酸3-7份、乙氧基月硅酸胺2-6份、二硫化钼5-10份、硬脂酸钙2-8份、聚乙烯醇1-5份，将反应体系加热至60-80℃，继续搅拌反应20-40min，取出玻璃纤维后用清水进行清洗烘干，制得空气过滤的抗静电玻璃纤维。
2. 根据权利要求1所述的一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中各原料的重量份为废玻璃40份、SiO2 30份、MgO 15份、SiN 12份、碳化硼9份、CaO 7.5份、ZnO 10.5份。
3.根据权利要求1所述的一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的熔融温度为1300-1400℃。
4.根据权利要求1所述的一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的退火温度为400-500℃。
5.根据权利要求1所述的一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管的管径为15-30nm，长度为0.5-1μm。
6.根据权利要求1所述的一种用于空气过滤的抗静电玻璃纤维的制备方法，其特征在于，所述pH调节剂为NaOH或K2CO3。
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