CN109126695A - 一种高阻燃性复合吸附材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种高阻燃性复合吸附材料及其制备方法和应用，该复合材料由粉末状活性炭、木浆纤维、特种纤维、非水溶性阻燃剂及胶黏剂制成。本发明采用特种纤维与难溶性阻燃剂复配，达到良好的阻燃效果，避免了由于水溶性阻燃剂的使用对活性炭孔隙结构的堵塞，使复合吸附材料兼具了特种纤维和活性炭的优点，具有阻燃性好、疏水性好、热稳定性好、化学稳定性好、孔隙结构发达、比表面积大、机械强度高、不易粉化等特性，特别适用于各类VOCs废气的吸附净化处理。本发明原料来源广泛，工艺过程简单，可自由地加工成不同形态的纤维制品，在固定床吸附和转轮吸附应用中具有吸附能力强、可原位再生和循环使用、吸/脱附速率快、压降小等优点。

Description

一种高阻燃性复合吸附材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种高阻燃性复合吸附材料及其制备方法和应用。
背景技术
VOCs(挥发性有机物)一般指常压状态下沸点在50-260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过134Pa，且具有很强挥发性的有机化合物。吸附法具有处理效率高、操作简单、运行稳定等优势，被广泛应用于处理各类VOCs气体。
吸附法目前最常用的吸附剂是活性炭，尤其是蜂窝状活性炭近年来被广泛应用于各类VOCs气体的处理，其可以达到90％甚至更高的处理效果。蜂窝活性炭由于其独特的蜂窝状结构，空气动力学性能好，床层压降小，吸附脱附速率快，但是其机械强度低、阻燃性差、易粉化、再生困难，大部分厂家选择使用后直接废弃导致处置成本高，特别是在吸附饱和后的热空气再生过程中易发生火灾，不符合现今的安全生产要求。此外，很多行业排放的VOCs气体温度较高，而且采用吸附法吸附净化VOCs气体过程中也会释放大量的热，这就要求吸附剂在保证吸附性能的前提下能够有一定的耐高温性。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种高阻燃性复合吸附材料，兼具了特种纤维和活性炭的优点，具有阻燃性好、疏水性好、热稳定性好、化学稳定性好、孔隙结构发达、比表面积大、机械强度高、不易粉化等特性，特别适用于各类VOCs废气的吸附净化处理。本发明的另一目的是提供一种上述高阻燃性复合吸附材料的制备方法。本发明还有一目的是提供一种上述高阻燃性复合吸附材料的应用。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种高阻燃性复合吸附材料，制备原料含有特种纤维、活性炭组分和非水溶性阻燃剂组分。
所述的高阻燃性复合吸附材料，特种纤维的重量百分比为1～15％。
所述的高阻燃性复合吸附材料，由以下重量百分比的成分组成：粉末状活性炭35～65％，木浆纤维12～40％，特种纤维1～15％，非水溶性阻燃剂4～15％，胶黏剂2～15％，各组分之和为100％。
所述胶黏剂为聚乙烯醇、淀粉、壳聚糖一种或多种。
所述木浆纤维为针叶木浆和阔叶木浆中的一种或多种。
所述非水溶性阻燃剂是磷酸三聚氰胺、磷酸铝、磷酸镁、偏磷酸铝、氢氧化镁、氢氧化铝中的一种或多种。
所述的高阻燃性复合吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将木浆纤维(打浆度30-70°SR)、粉末状活性炭、胶黏剂、特种纤维与非水溶性阻燃剂按配比加水进行均匀混合，混合物料浓度为0.05-0.5％；
b)将混合物料放入带有过滤网的成型机上滤水成平面状(如毡、带、布等)材料，然后烘干定型。
c)将平面状材料在高温状态下加工成瓦楞状，然后将平面状和瓦楞状材料通过胶黏剂粘贴制成单面瓦楞材料。
所述特种纤维的直径在5-100μm，长度为3-15mm，同时具有永久阻燃性和高强度，优选玄武岩纤维、凯夫拉纤维等。
有益效果：与现有技术相比，本发明的高阻燃性复合吸附材料兼具了特种纤维和活性炭的优点，具有阻燃性好、疏水性好、热稳定性好、化学稳定性好、孔隙结构发达、比表面积大、机械强度高、不易粉化等特性，特别适用于各类VOCs废气的吸附净化处理。由于复合吸附材料特征尺寸小，VOCs气体扩散速度快，因而吸/脱附速率快；将单面瓦楞状材料叠加在一起形成蜂窝状吸附材料，具有较低的气体阻力，大大降低了运行成本。本发明原料来源广泛，工艺过程简单，可自由地加工成不同形态的纤维制品(毡、带、布等)，在固定床吸附和转轮吸附应用中具有吸附能力强、可原位再生和循环使用、吸/脱附速率快、压降小等优点。
附图说明
图1复合材料扫描电镜图；
图2是蜂窝状复合吸附材料的结构示意图；
图3是吸附脱附实验装置图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
以下实施例中，所使用的特种纤维为玄武岩纤维，来自于江苏康达夫新材料科技有限公司，该产品具有高强度、永久阻燃性、短期耐温在1000℃以上，可长期在760℃温度环境下使用。
实施例1
称取3g打浆度为40°SR木浆纤维，0.87g特种纤维(直径5μm、长度6mm)，1.19g聚乙烯醇，10.4g粉末活性炭，1.22g磷酸三聚氰胺，33.3kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散30分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干，采用扫描电镜对其进行表征，如图1所示，由图1可以看出，木浆纤维呈致密的连续结构，特种纤维杂乱无序地交织在一起并形成骨架，活性炭固定在骨架的大空隙里，这种结构有助于活性炭分散，进而有利于吸附质的扩散传质。
采用上述相同配方和工艺制备出对比产品，对比1采用聚酯纤维替代特种纤维，对比2采用玻璃纤维替代特种纤维。对各产品的物化性能进行检测。
材料的抗张强度采用微电脑抗张强度测试仪测试，材料的层间结合力采用微电脑层间结合强度测试仪进行测试，材料的燃烧性能采用水平垂直燃烧测试仪进行测试(执行美国UL94标准)，材料的比表面积采用高性能比表面及微孔经分析仪进行测试。
表1产品物化性能对比
特种纤维 聚酯纤维 玻璃纤维
抗张强度(N/m) 1513 256 679
层间结合力(J/m<sup>2</sup>) 35.5 23 28
阻燃性(垂直燃烧性) 94V0 无阻燃性 94V1
比表面积(m<sup>2</sup>/g) 751 692 645
热分解温度(℃) 323 241 286
从表1的产品的性能结果可以看出，特种纤维与聚酯纤维或玻璃纤维相比，可以大幅度提高材料的机械强度(抗张强度和层间结合力)、阻燃性能和热稳定性，且其对复合吸附材料的比表面积影响相对较小。
实施例2
称取2g打浆度为30°SR木浆纤维，0.17g特种纤维(直径50μm、长度10mm)，1.17g淀粉，10.84g粉末活性炭，1.50g磷酸铝，1.0g磷酸镁，3.34kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散30分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。
实施例3
称取6.67g打浆度为50°SR木浆纤维，2.50g特种纤维(直径100μm、长度3mm)，1.00g壳聚糖，5.84g粉末活性炭，0.67g氢氧化镁，16.7kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散15分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。
实施例4
称取4.34g打浆度为60°SR木浆纤维，0.50g特种纤维(直径10μm、长度15mm)，2.50g聚乙烯醇，8.01g粉末活性炭，1.33g偏磷酸铝，20kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散60分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。
实施例5
称取3.67g打浆度为70°SR木浆纤维，1.50g特种纤维(直径10μm、长度7mm)，0.33g壳聚糖，9.17g粉末活性炭，1.0g磷酸铝，1.0g磷酸镁，15kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散45分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。
实施例6
称取3.17g打浆度为65°SR木浆纤维，2.50g特种纤维(直径8μm、长度6mm)，0.50g淀粉，9.84g粉末活性炭，0.67g氢氧化铝，30kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散30分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。
采用实施例1的方法，对各产品进行物化性能测定，具体结果如表2所示。
表2制备的产品物化性能结果对比
从表2的结果可以看出，特种纤维和非水溶性阻燃剂的复配使用量越大，材料的阻燃性能和热稳定性越好；特种纤维的添加量越大，对材料的抗张强度和层间结合力提升越显著。可见，配方中特种纤维和非水溶性阻燃剂复配起到很好的协同作用，可以提升材料的阻燃性能和强度指标，热气流再生时材料的安全系数高，进一步扩展了材料的应用范围。
实施例3
将实施例2制备的复合吸附材料样品与由北京中天恒海环保科技公司提供的蜂窝活性炭进行吸附性能测试，具体试验方法和试验条件如下：
吸附脱附试验装置如图3所示，整套装置主要包括电控制箱、风机1、蠕动泵2、废气发生器3、电加热炉4、转子流量计5和固定床吸附器6组成，图中实线为吸附路线，虚线为脱附路线；主要采用的鼓泡法产生甲苯气体，然后与干燥的空气混合，产生所需要的模拟甲苯废气，反应器内的温度由热电偶将探头伸入底部测得，反应器进出后甲苯的浓度采用气相色谱仪进行分析。
吸附阶段，采用甲苯150mg/m3的空气作为原料气分别进入装有蜂窝活性炭和蜂窝状复合吸附材料(如图3)的固定床反应器，实验风量为50m3/h，吸附操作温度为25℃；脱附阶段时，采用热空气脱附，风量调节为10m3/h，脱附温度通过电控制箱调节电加热器的开度来控制，平均脱附温度为135℃。
具体的试验条件与结果见表3。由表3可知，与蜂窝活性炭相比，复合吸附材料具有更快的吸附脱附速率、更大的穿透吸附量和更小的压降。
表3蜂窝活性炭和和复合吸附材料吸附应用实验结果
指标 蜂窝活性炭 复合吸附材料
穿透时间(min) 34 45
穿透吸附量(mg/g) 85 125
脱附用时(min) 28 21
压降(Pa/m) 4900 3800
注：以出口浓度为进口浓度的5％时作为穿透点。

Claims (10)

1.一种高阻燃性复合吸附材料，其特征在于，制备原料含有特种纤维组分，活性炭组分和非水溶性阻燃剂组分。
2.根据权利要求1所述的高阻燃性复合吸附材料，其特征在于，特种纤维的重量百分比为1～15％。
3.根据权利要求1或2所述的高阻燃性复合吸附材料，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：粉末状活性炭35～65％，木浆纤维12～40％，特种纤维1～15％，非水溶性阻燃剂4～15％，胶黏剂2～15％，各组分之和为100％。
4.根据权利要求3所述的高阻燃性复合吸附材料，其特征在于，所述胶黏剂为聚乙烯醇、淀粉、壳聚糖的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的高阻燃性复合吸附材料，其特征在于，所述木浆纤维为针叶木浆和阔叶木浆中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的高阻燃性复合吸附材料，其特征在于，所述非水溶性阻燃剂是磷酸三聚氰胺、磷酸铝、磷酸镁、偏磷酸铝、氢氧化镁、氢氧化铝中的一种或多种。
7.权利要求1所述的高阻燃性复合吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将打浆度30-70°SR的木浆纤维、粉末状活性炭、胶黏剂、特种纤维与非水溶性阻燃剂按配比加水进行均匀混合，混合物料浓度为0.05-0.5％；
b)将混合物料放入带有过滤网的成型机上滤水成平面状材料，然后烘干定型。
c)将平面状材料在高温状态下加工成瓦楞状，然后将平面状和瓦楞状材料通过胶黏剂粘贴制成单面瓦楞材料。
8.根据权利要求7所述的高阻燃性复合吸附材料的制备方法，其特征在于，所述特种纤维的直径在5-100μm，长度为3-15mm，同时具有永久阻燃性。
9.根据权利要求7或8所述的高阻燃性复合吸附材料的制备方法，其特征在于，所述特种纤维选自玄武岩纤维、凯夫拉纤维。
10.权利要求1或2所述的高阻燃性复合吸附材料应用在VOCs废气的吸附净化处理。
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