CN110006126A - 一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，至少包括有多层竖直设置的改性石墨烯复合高分子材料膜，在一层改性石墨烯复合高分子材料膜的左、右层间设有流道腔，所述流道腔包括有上下封闭、供气流由前至后穿过流动的气流流道腔，和前后封闭、供水流由上至下穿过流动的水流流道腔。横向穿过的气流和竖向穿过的水流相互隔绝，液相水以水分子状态透过改性石墨烯复合高分子材料膜，水分子以气流为载体被运输到待加湿区域进行加湿，且气流无阻流动，功耗低，风速快；其次，由于改性石墨烯复合高分子材料膜具有抗菌杀菌、高强度的功能，避免了芯体式加湿装置在长期使用中集聚细菌，避免了给气流带来二次污染。
Description
【技术领域】
本发明涉及空气交换循环领域，尤其是指一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置。
【背景技术】
随着社会的高速发展，人民生活水平提高的同时，周围的生活环境遭到了严重破坏，空气质量严重降低，为了改变室内空气质量，研发了空气净化器和新风系统。新风系统将室外的新鲜空气通过过滤、净化后引入室内，将室内污染的空气排到室外，完成了室内外空气的有效循环，保证室内空气新鲜舒适。
在某些时候，室外新风进入室内的过程中，很需要降温处理，比如在夏季，高温干燥的室外新风，引入室内后会导致室内温度升高，因此需要对引入的新风进行降温处理，更进一步的，若能够使得新风进行加湿处理，使得引入的新风携带一些水汽的话，会使得室内环境更为舒适。
传统水帘采用防尘网板和纤维石棉网制成，但是其存在几个弊端：一：由于防尘网板和纤维石棉网均不具备抗菌功能，在长时间使用后再者容易发霉、滋生细菌，导致二次污染；二：气流在穿过水帘的过程中需要穿透多层水幕，这样一来减弱了气流的速度，使得能耗升高，二来会在穿透水幕的过程中携带防尘网板和纤维石棉网上的细菌，造成空气污染；三：纤维石棉网在经过空气中的水分、细菌和尘埃腐蚀后，强度急剧下降甚至损坏，堵塞通风口且不能清洗，导致通风、排湿效果差。
石墨烯是一种SP2杂化具有蜂窝状的碳材料，单层石墨烯的厚度只有0.334nm，是目前已知最薄的材料。石墨烯具有超大的比表面积，比表面积可达约2600m2/g，鉴于其超高的比表面积的特性，石墨烯材料已在环境吸附和空气净化方面得到了广泛研究；并且因为石墨烯材料本身非常稳定，在材料科学研究中通常选取其为复合材料的载体，用来制备石墨烯基复合材料。石墨烯也因具有很高的传导性能和载流子速率性能，具有超大的热导率（5000W/m*K），石墨烯也引起了传热方面的研究人员的极大兴趣，将其应用到导热介质中，制备高热导率的传热介质。
此外，在以往的研究中发现石墨烯具有一定的抗菌性能，随后出现一系列的具有较好抗菌性能的石墨烯/银纳米复合抗菌材料，但是在研究过程中发现此类材料在制备的工艺均具有一定的复杂性或者使用效果具有一定的局限性。于是一些研究选取二氧化钛进行协同促进石墨烯/银的 抗菌性能，这是利用二氧化钛光催化材料的较高的光催化活性、无毒性、化学性质稳定、抗光腐蚀性能强等技术特点，在考虑到纳米二氧化钛的团聚性会直接影响其催化性能，选用比表面积大的石墨烯作为载体，可使得其能有效地分散在石墨烯片层展现更好的催化抗菌性能。
综合上述背景，市场需要一种以石墨烯材料作为载体，复合纳米二氧化钛和纳米银，以一种具有高导热、高透湿、高强度、质量轻，具备抗菌杀菌功能的全热交换膜为核心，设计一种芯体式加湿装置。
【发明内容】
本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提供了一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，至少包括有多层改性石墨烯复合高分子材料膜，所有改性石墨烯复合高分子材料膜竖直设置，在一层改性石墨烯复合高分子材料膜的左、右层间设有流道腔，所述流道腔包括有上下封闭、供气流由前至后穿过流动的气流流道腔，和前后封闭、供水流由上至下穿过流动的水流流道腔；所述气流流道腔和水流流道腔之间通过改性石墨烯复合高分子材料膜相互隔离。
在进一步的改进方案中，其还包括有由多层竖直设置的流道板左右层层靠拢相叠形成的换热加湿芯体，左右相邻的两块流道板之间相互靠拢组成芯体组件，在芯体组件内设有空腔，所述单层改性石墨烯复合高分子材料膜设置于两块流道板之间将空腔间隔成独立的流道腔，在芯体组件一侧的上下两端设有密封结构使其形成供气流由前至后穿过流道腔的气流流道腔，在其另一侧的前后两端设有密封结构使其形成供水流由上至下穿过流道腔的水流流道腔。
在进一步的改进方案中，其还包括有换热加湿壳体，所述换热加湿壳体设有内腔，且在其四周的壁体上分别开设有联通内部空腔的进水口、出水口、进气口、出气口；所述换热加湿芯体设置于内腔中。
在进一步的改进方案中，所述改性石墨烯复合高分子材料膜包含：
a）选自如下的至少一种导湿高分子聚合物：导湿均聚物、导湿共聚物、及其任意组合；
b）石墨烯或石墨烯复合材料；
c）微孔基材；
其中，在微孔基材内所述导湿高分子聚合物与所述石墨稀或石墨稀复合材料通过极性基官能团形成氢键、离子键和/或共价键的有效化学键链接，从而形成具有强化亲水-疏水基团的透水通道。
在进一步的改进方案中，所述导湿高分子聚合物为选自如下的至少一种：商品化聚氧化乙烯（PE0）、聚苯乙烯硫酸、聚酯、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰胺（PA）、聚氨酯（HJ）、磺化的苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮 （PEEK）及它们的聚合物或混合物。
在进一步的改进方案中，所述导湿高分子聚合物的平均分子量可选在10000到1000000的范围。
在进一步的改进方案中，所述导湿高分子聚合物可含有选自如下的至少一种极性基官能团:-0H、-SH 、-COOH、-OR、-COOR、-PO3H2、-SO3H、-NH2。
在进一步的改进方案中，所述改性石墨烯复合高分子材料膜可承受最低压强不小于0.1兆帕（MPa）。
在进一步的改进方案中，所述改性石墨烯复合高分子材料膜的厚度为1-300 um。
在进一步的改进方案中，所述改性石墨烯复合高分子材料膜的导热系数不小于0.3W/mK。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：横向穿过的气流和竖向穿过的水流相互隔绝，液相水以水分子状态透过改性石墨烯复合高分子材料膜，水分子以气流为载体被运输到待加湿区域进行加湿，且气流无阻流动，功耗低，风速快；其次，由于改性石墨烯复合高分子材料膜具有抗菌杀菌、高强度的功能，避免了芯体式加湿装置在长期使用中集聚细菌，避免了给气流带来二次污染。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：
【附图说明】
图1 为本发明实施例的立体示意图；
图2 为本发明实施例的结构示意图；
图3 为本发明实施例中换热加湿芯体的立体示意图；
图4 为本发明实施例中换热加湿芯体的结构示意图一；
图5 为本发明实施例中换热加湿芯体的结构示意图二。
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
附图所显示的方位不能理解为限制本发明的具体保护范围，仅供较佳实施例的参考理解，可以图中所示的产品部件进行位置的变化或数量增加或结构简化。
说明书中所述的“连接”及附图中所示出的部件相互“连接”关系，可以理解为固定地连接或可拆卸连接或形成一体的连接；可以是直接直接相连或通过中间媒介相连，本领域普通技术人员可以根据具体情况理解连接关系而可以得出螺接或铆接或焊接或卡接或嵌接等方式以适宜的方式进行不同实施方式替用。
说明书中所述的上、下、左、右、顶、底等方位词及附图中所示出方位，各部件可直接接触或通过它们之间的另外特征接触；如在上方可以为正上方和斜上方，或它仅表示高于其他物；其他方位也可作类推理解。
说明书及附图中所表示出的具有实体形状部件的制作材料，可以采用金属材料或非金属材料或其他合成材料；凡涉及具有实体形状的部件所采用的机械加工工艺可以是冲压、锻压、铸造、线切割、激光切割、铸造、注塑、数铣、三维打印、机加工等等；本领域普通技术人员可以根据不同的加工条件、成本、精度进行适应性地选用或组合选用，但不限于上述材料和制作工艺。
本发明为一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，如图1至图5所示，至少包括有多层改性石墨烯复合高分子材料膜10，所有改性石墨烯复合高分子材料膜10竖直设置，在一层改性石墨烯复合高分子材料膜10的左、右层间设有流道腔，所述流道腔包括有上下封闭、供气流由前至后穿过流动的气流流道腔20，和前后封闭、供水流由上至下穿过流动的水流流道腔30；所述气流流道腔20和水流流道腔30之间通过改性石墨烯复合高分子材料膜10相互隔离。
在使用时，气流经改性石墨烯复合高分子材料膜10一侧的气流流道腔20横向穿过，直接进入到室内，而水流则从改性石墨烯复合高分子材料膜10另一侧的水流流道腔30竖向穿过，由于改性石墨烯复合高分子材料膜10具有高导热、不透气体、高透湿的功能，气流不能从一侧的气流流道腔20中穿透至另一侧的水流流道腔30中，但是水流流道腔30中的液相水以水分子状态则可经改性石墨烯复合高分子材料膜10穿透至气流流道腔20中，将气流流道腔20中的气流降温并加湿，可实现快速降温加湿；其次，由于改性石墨烯复合高分子材料膜10具有抗菌杀菌、高强度的功能，避免了芯体式加湿装置在长期使用中集聚细菌，避免了给气流带来二次污染；此外，由于气流流道腔20和水流流道腔30相互隔绝，使得气流无阻流动，功耗低，风速快。
在本发明的实施例中，如图1、2、3所示，其还包括有由多层竖直设置的流道板40左右层层靠拢相叠形成的换热加湿芯体50，左右相邻的两块流道板40之间相互靠拢组成芯体组件，在芯体组件内设有空腔，所述单层改性石墨烯复合高分子材料膜10设置于两块流道板40之间将空腔间隔成独立的流道腔，在芯体组件一侧的上下两端设有密封结构使其形成供气流由前至后穿过流道腔的气流流道腔20，在其另一侧的前后两端设有密封结构使其形成供水流由上至下穿过流道腔的水流流道腔30。
在本发明的实施例中，如图1、2所示，其还包括有换热加湿壳体60，所述换热加湿壳体设有内腔，且在其四周的壁体上分别开设有联通内部空腔的进水口61、出水口、进气口、出气口62；所述换热加湿芯体设置于内腔中。
在本发明的实施例中，所述改性石墨烯复合高分子材料膜10包含：
a）选自如下的至少一种导湿高分子聚合物：导湿均聚物、导湿共聚物、及其任意组合；
b）石墨烯或石墨烯复合材料；
c）微孔基材；
其中，在微孔基材内所述导湿高分子聚合物与所述石墨稀或石墨稀复合材料通过极性基官能团形成氢键、离子键和/或共价键的有效化学键链接，从而形成具有强化亲水-疏水基团的透水通道。
在本发明的实施例中，所述导湿高分子聚合物为选自如下的至少一种：商品化聚氧化乙烯（PE0）、聚苯乙烯硫酸、聚酯、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、磺化的苯乙烯-丁二烯橡胶（S-SBR）、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮 （PEEK）及它们的聚合物或混合物。
在本发明的实施例中，所述改性石墨烯复合高分子材料膜10还包含有选自如下的至少一种添加剂：抗氧化剂、紫外稳定剂或氧化、热和紫外光降解抑制剂、交联剂及它们的混合物。
在本发明的实施例中，所述导湿高分子聚合物的平均分子量可选在10000到1000000的范围。
在本发明的实施例中，所述导湿高分子聚合物可含有选自如下的至少一种极性基官能团:-0H、-SH 、-COOH、-OR、-COOR、-PO3H2、-SO3H、-NH2。
本发明所提供的改性石墨烯复合高分子材料膜10的机械强度、耐摩擦强度显著提高，能承受压强不小于0. 1兆帕（MPa），优选不小于0. 15MPa，更优选不小于0. 2MPa。在不同工作条件中，如果改性石墨烯复合高分子材料膜10的耐酸碱性不强，耐热性不强，在较强腐蚀性或高热的环境中长期使用会降低膜的机械强度，从而影响到其耐用性。
在进一步的改进方案中，所述改性石墨烯复合高分子材料膜10的厚度为1-300um，可选在5-250um，20-100 um的范围。
在进一步的改进方案中，所述改性石墨烯复合高分子材料膜10的导热系数不小于0.3W/mK。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种改性石墨烯复合高分子材料膜10的制备方法，包括如下的制备步骤：
A）在选自10-100℃范围的恒温条件下，使导湿高分子聚合物以预确定的时间和顺序溶解在多种有机溶剂中形成溶液，充分搅拌以混合均匀；
B）添加石墨烯或石墨烯复合材料至上一步骤得到的溶液中，充分搅拌以混合均匀；
C）成膜过程：在温度在10-200°C的范围的条件下，将步骤B）中得到的溶液经过流延法、压延法、模压法、蒸发溶剂法等加工至微孔基材的一个表面或两面上。形成厚度在10-250 um范围内的均匀膜材料，既保证膜材料的机械强度，又可以满足其透水性。
所述制备方法在步骤A）和B）之间还可以包括步骤：A'）添加至少一种添加剂至步骤A）中得到的溶液中充分搅拌混合均匀。此制备方法优选包括在C）成膜过程后进行交联，与所述微孔基材形成连续的交联透水聚合物的涂层。
本发明用此种制备方法提供的改性石墨烯复合高分子材料膜10的多功能体现在改性石墨烯复合高分子材料膜10的机械强度、耐摩擦强度及耐酸碱等性能的显著提高、寿命大大增长、抗菌防污染能力显著提高、导热系数和耐热等能力显著提高，其可承受压差不小于0. 1MPa，使用寿命不小于10年，使用寿命长；所述改性石墨烯复合高分子材料膜10在工作期间无需更换、具有自清洁能力，导热系数不小于0. 3W/mK，可承受200℃的高温；所述改性石墨烯复合高分子材料膜10为纳孔材料、防污染能力极佳，根据标准GB/ T2591-2003《抗菌塑料-抗菌性能试验方法和抗菌效果》，测定为抗菌能力强（0级）。所述改性石墨烯复合高分子材料膜10可应用于全热交换器、湿度调节器（用于加湿和 /或除湿），而且本制备方法的优异性还在于试剂及材料廉价且简单易得，操作方法也相对简单，操作过程中变量容易控制。
尽管参照上面实施例详细说明了本发明，但是通过本公开对于本领域技术人员显而易见的是，而在不脱离所述的权利要求限定的本发明的原理及精神范围的情况下，可对本发明做出各种变化或修改。因此，本公开实施例的详细描述仅用来解释，而不是用来限制本发明，而是由权利要求的内容限定保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，至少包括有多层改性石墨烯复合高分子材料膜，所有改性石墨烯复合高分子材料膜竖直设置，在一层改性石墨烯复合高分子材料膜的左、右层间设有流道腔，所述流道腔包括有上下封闭、供气流由前至后穿过流动的气流流道腔，和前后封闭、供水流由上至下穿过流动的水流流道腔；所述气流流道腔和水流流道腔之间通过改性石墨烯复合高分子材料膜相互隔离。
2.根据权利要求1所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，其还包括有由多层竖直设置的流道板左右层层靠拢相叠形成的换热加湿芯体，左右相邻的两块流道板之间相互靠拢组成芯体组件，在芯体组件内设有空腔，所述单层改性石墨烯复合高分子材料膜设置于两块流道板之间将空腔间隔成独立的流道腔，在芯体组件一侧的上下两端设有密封结构使其形成供气流由前至后穿过流道腔的气流流道腔，在其另一侧的前后两端设有密封结构使其形成供水流由上至下穿过流道腔的水流流道腔。
3.根据权利要求2所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，其还包括有换热加湿壳体，所述换热加湿壳体设有内腔，且在其四周的壁体上分别开设有联通内部空腔的进水口、出水口、进气口、出气口；所述换热加湿芯体设置于内腔中。
4.根据权利要求3所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，所述改性石墨烯复合高分子材料膜包含：
a)选自如下的至少一种导湿高分子聚合物：导湿均聚物、导湿共聚物、及其任意组合；
b)石墨烯或石墨烯复合材料；
c)微孔基材；
其中，在微孔基材内所述导湿高分子聚合物与所述石墨稀或石墨稀复合材料通过极性基官能团形成氢键、离子键和/或共价键的有效化学键链接，从而形成具有强化亲水-疏水基团的透水通道。
5.根据权利要求4所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，所述导湿高分子聚合物为选自如下的至少一种：商品化聚氧化乙烯(PE0)、聚苯乙烯硫酸、聚酯、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PU)、磺化的苯乙烯-丁二烯橡胶(S-SBR)、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮(PEEK)及它们的聚合物或混合物。
6.根据权利要求5所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，所述导湿高分子聚合物的平均分子量可选在10000到1000000的范围。
7.根据权利要求6所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，所述导湿高分子聚合物可含有选自如下的至少一种极性基官能团:-0H、-SH、-COOH、-OR、-COOR、-PO3H2、-SO3H、-NH2。
8.根据权利要求7所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，所述改性石墨烯复合高分子材料膜可承受最低压强不小于0.1兆帕(MPa)。
9.根据权利要求8所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，所述改性石墨烯复合高分子材料膜的厚度为1-300um。
10.根据权利要求9所述的一种基于改性石墨烯复合高分子材料膜的芯体式加湿装置，其特征在于，所述改性石墨烯复合高分子材料膜的导热系数不小于0.3W/mK。
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