CN110467445A - 一种石墨烯陶瓷复合滤芯及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯陶瓷复合滤芯及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯陶瓷复合滤芯及其制备方法，其原料包含：硅藻土60％～70％，壳聚糖10～20％，碳化硅5％～10％，石墨烯材料0.1％～10％，表面活性剂0.1％～1％，金属氧化物0.1％～5％，竹炭粉0.1％～5％、钠长石粉0.1％～5％。该方法包含：步骤1，按比例称取各原料；步骤2，制备改性粉体；步骤3，将改性粉体和剩余材料进行粉碎处理，得到混合粉体；步骤4，将混合粉体进行高温烧结，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。本发明制备的滤芯具有优异的过滤精度，可以广泛应用在各种场合条件下的净水器中，有效除去水中含有的杂质，净化水质，同时该滤芯还具有优异的抗菌性，还能够防止细菌滋生，避免二次污染。

Description

一种石墨烯陶瓷复合滤芯及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合滤芯及其制备方法，具体地，涉及一种石墨烯陶瓷复合滤芯及其制备方法。
背景技术
滤芯是过滤净化功能领域的专业名词，是为了净化原流体的资源和资源的分离简便装置。现在滤芯主要用在油过滤、空气过滤、水过滤等过滤行业。
滤芯分离液体或者气体中固体颗粒，或者使不同的物质成分充分接触，加快反应时间，可保护设备的正常工作或者空气的洁净，当流体进入置有一定规格滤网的滤芯后，其杂质被阻挡，而清洁的流物通过滤芯流出。液体滤芯使液体(包括油、水等)使受到污染的液体被洁净到生产、生活所需要的状态，也就是使液体达到一定的洁净度。而要想达到优良的过滤效果，滤芯的材料选择是至关重要的。
石墨烯是从石墨中剥离出来的单层碳原子材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质，结构非常稳定，迄今为止研究者尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，碳原子之间的链接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品，几乎完全透明，却极为致密，不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法通过，导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料，化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合滤芯及其制备方法，利用石墨烯分散技术，以及陶瓷滤芯生产制备体系生产一种石墨烯陶瓷复合滤芯，该石墨烯复合滤芯具有优异的过滤精度，可以广泛应用在各种场合条件下的净水器中，有效除去水中含有的杂质，净化水质，同时该滤芯还具有优异的抗菌性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯陶瓷复合滤芯，其中，所述的滤芯的原料按质量百分比计包含：硅藻土60％～70％，壳聚糖10～20％，碳化硅5％～10％，石墨烯材料0.1％～10％，表面活性剂0.1％～1％，金属氧化物0.1％～5％，竹炭粉0.1％～5％、钠长石粉0.1％～5％。
上述的石墨烯陶瓷复合滤芯，其中，所述的石墨烯材料包含机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等制备的任意一种或多种石墨烯或氧化石墨烯。
上述的石墨烯陶瓷复合滤芯，其中，所述的金属氧化物包含氧化铝、氧化锌、二氧化锰等中的任意一种或多种。
上述的石墨烯陶瓷复合滤芯，其中，所述的表面活性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺等中的任意一种或多种。
本发明还提供了上述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其中，所述的方法包含：步骤1，按比例称取各原料；步骤2，制备改性粉体；步骤3，将步骤2所得的改性粉体和剩余材料进行粉碎处理，得到混合粉体；步骤4，将步骤3所得的混合粉体进行高温烧结，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
上述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其中，所述的步骤2包含：步骤2.1，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌之后再进行常温超声处理，得到混合溶液；步骤2.2，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到步骤2.1所得的溶液中，浸泡处理并充分搅拌，沥水后烘干，得到改性粉体。
上述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其中，所述的步骤2.1中，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理10～20min，得到混合溶液；混合溶液中按质量百分比计，石墨烯材料的含量为0.1％～15％，表面活性剂含量为0.1％～5％。
上述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其中，所述的步骤2.2中，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到所得的混合溶液中，加入的硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物的总量与溶液的质量比为1：(2～3)，浸泡处理并充分搅拌10～20min，沥水后放入到烘箱中，在100～120℃烘干，得到改性粉体。
上述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其中，所述的步骤3中，将改性粉体和竹炭粉、钠长石粉混合均匀，进行粉碎处理，粉碎时间为15～30min，之后取出混合粉体，所得的混合粉体粒径为5～50微米。
上述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其中，所述的步骤4中，将所得的混合粉体进行高温烧结，烧结温度为800℃～1200℃，并保持在该温度范围2～4h，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
本发明提供的石墨烯陶瓷复合滤芯及其制备方法具有以下优点：
本发明基于石墨烯功能基础上，利用石墨烯分散技术，以及陶瓷复合滤芯制备技术，生产一种石墨烯陶瓷复合滤芯，该石墨烯复合滤芯具有优异的抗菌功能，可以广泛应用在各种场合条件下的净水器中，该陶瓷复合滤芯过滤精度达到0.1微米以下，有效去除水中含有的有害杂质，净化水质，保护人们饮水健康。
本方法生产的石墨烯改性陶瓷粉体混合更均匀，接枝更充分，因此该粉体制备的陶瓷净水滤芯具有更优异的抗菌及过滤性能。
本方法制备的改性石墨烯陶瓷复合滤芯，工艺简单易操作，成本低廉，经济效益高，适合大规模工业化生产。
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陶瓷复合滤芯，该滤芯的原料按质量百分比计包含：硅藻土60％～70％，壳聚糖10～20％，碳化硅5％～10％，石墨烯材料0.1％～10％，表面活性剂0.1％～1％，金属氧化物0.1％～5％，竹炭粉0.1％～5％、钠长石粉0.1％～5％。
优选地，石墨烯材料包含机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等制备的任意一种或多种石墨烯或氧化石墨烯。
金属氧化物包含氧化铝、氧化锌、二氧化锰等中的任意一种或多种。
表面活性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮(PVP)、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺(DMF)等中的任意一种或多种。
本发明还提供了该石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，该方法包含：步骤1，按比例称取各原料；步骤2，制备改性粉体；步骤3，将步骤2所得的改性粉体和剩余材料进行粉碎处理，得到混合粉体；步骤4，将步骤3所得的混合粉体进行高温烧结，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
优选地，步骤2包含：步骤2.1，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌之后再进行常温超声处理，得到混合溶液；步骤2.2，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到步骤2.1所得的溶液中，浸泡处理并充分搅拌，沥水后烘干，得到改性粉体。
步骤2.1中，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理10～20min，得到混合溶液；混合溶液中按质量百分比计，石墨烯材料的含量为0.1％～15％，表面活性剂含量为0.1％～5％。
步骤2.2中，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到所得的混合溶液中，加入的硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物的总量与溶液的质量比为1：(2～3)，浸泡处理并充分搅拌10～20min，沥水后放入到烘箱中，在100～120℃烘干，得到改性粉体。
步骤3中，将改性粉体和竹炭粉、钠长石粉混合均匀，放入雷蒙磨粉机中进行粉碎处理，在粉碎混合处理过程中颗粒间的碰撞产生的温升，利于石墨烯与改性粉体进一步接枝反应，粉碎时间为15～30min，之后取出混合粉体，所得的混合粉体粒径为5～50微米。
步骤4中，将所得的混合粉体装入模具中进行高温烧结，烧结温度为800℃～1200℃，并保持在该温度范围2～4h，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
本方法中采用的各设备均为本领域技术人员所已知的。
下面结合实施例对本发明提供的石墨烯陶瓷复合滤芯及其制备方法做更进一步描述。
实施例1
一种石墨烯陶瓷复合滤芯，其原料按质量百分比计包含：硅藻土70％，壳聚糖20％，碳化硅5％，石墨烯材料0.1％，表面活性剂0.1％，金属氧化物0.1％，竹炭粉2％、钠长石粉2.7％。
优选地，石墨烯材料包含机械剥离法制备的石墨烯。
金属氧化物包含氧化铝。表面活性剂包含聚乙烯醇。
本实施例还提供了该石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备改性粉体。步骤2包含：
步骤2.1，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理10～20min，得到混合溶液；混合溶液中按质量百分比计，石墨烯材料的含量为0.1％～15％，表面活性剂含量为0.1％～5％。
步骤2.2，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到所得的混合溶液中，加入的硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物的总量与溶液的质量比为1：(2～3)，浸泡处理并充分搅拌10～20min，沥水后放入到烘箱中，在100～120℃烘干，得到改性粉体。
步骤3，将步骤2所得的改性粉体和竹炭粉、钠长石粉混合均匀，放入雷蒙磨粉机中进行粉碎处理，在粉碎混合处理过程中颗粒间的碰撞产生的温升，利于石墨烯与改性粉体进一步接枝反应，粉碎时间为15～30min，之后取出混合粉体，所得的混合粉体粒径为5～50微米。
步骤4，将步骤3所得的混合粉体装入模具中进行高温烧结，烧结温度为800℃～1200℃，并保持在该温度范围2～4h，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
实施例2
一种石墨烯陶瓷复合滤芯，其原料按质量百分比计包含：硅藻土65.1％，壳聚糖15％，碳化硅8％，石墨烯材料3％，表面活性剂0.8％，金属氧化物4％，竹炭粉4％、钠长石粉0.1％。
优选地，石墨烯材料包含化学气相沉积法制备的氧化石墨烯。
金属氧化物包含氧化锌。表面活性剂包含聚乙二醇。
本实施例还提供了该石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备改性粉体。步骤2包含：
步骤2.1，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理10～20min，得到混合溶液；混合溶液中按质量百分比计，石墨烯材料的含量为0.1％～15％，表面活性剂含量为0.1％～5％。
步骤2.2，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到所得的混合溶液中，加入的硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物的总量与溶液的质量比为1：(2～3)，浸泡处理并充分搅拌10～20min，沥水后放入到烘箱中，在100～120℃烘干，得到改性粉体。
步骤3，将步骤2所得的改性粉体和竹炭粉、钠长石粉混合均匀，放入雷蒙磨粉机中进行粉碎处理，在粉碎混合处理过程中颗粒间的碰撞产生的温升，利于石墨烯与改性粉体进一步接枝反应，粉碎时间为15～30min，之后取出混合粉体，所得的混合粉体粒径为5～50微米。
步骤4，将步骤3所得的混合粉体装入模具中进行高温烧结，烧结温度为800℃～1200℃，并保持在该温度范围2～4h，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
实施例3
一种石墨烯陶瓷复合滤芯，其原料按质量百分比计包含：硅藻土62％，壳聚糖12％，碳化硅7％，石墨烯材料6％，表面活性剂0.5％，金属氧化物2.5％，竹炭粉5％、钠长石粉5％。
优选地，石墨烯材料包含氧化还原法制备的石墨烯。
金属氧化物包含二氧化锰。表面活性剂包含木质素磺酸钠或聚乙烯吡络烷酮(PVP)。
本实施例还提供了该石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备改性粉体。步骤2包含：
步骤2.1，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理10～20min，得到混合溶液；混合溶液中按质量百分比计，石墨烯材料的含量为0.1％～15％，表面活性剂含量为0.1％～5％。
步骤2.2，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到所得的混合溶液中，加入的硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物的总量与溶液的质量比为1：(2～3)，浸泡处理并充分搅拌10～20min，沥水后放入到烘箱中，在100～120℃烘干，得到改性粉体。
步骤3，将步骤2所得的改性粉体和竹炭粉、钠长石粉混合均匀，放入雷蒙磨粉机中进行粉碎处理，在粉碎混合处理过程中颗粒间的碰撞产生的温升，利于石墨烯与改性粉体进一步接枝反应，粉碎时间为15～30min，之后取出混合粉体，所得的混合粉体粒径为5～50微米。
步骤4，将步骤3所得的混合粉体装入模具中进行高温烧结，烧结温度为800℃～1200℃，并保持在该温度范围2～4h，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
实施例4
一种石墨烯陶瓷复合滤芯，其原料按质量百分比计包含：硅藻土64.8％，壳聚糖18％，碳化硅6％，石墨烯材料8％，表面活性剂0.2％，金属氧化物1％，竹炭粉1％、钠长石粉1％。
优选地，石墨烯材料包含机械剥离法制备的石墨烯或氧化石墨烯。
金属氧化物包含氧化铝或氧化锌。表面活性剂包含十二烷基吡咯烷酮和十二烷基磺酸钠。
本实施例还提供了该石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备改性粉体。步骤2包含：
步骤2.1，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理10～20min，得到混合溶液；混合溶液中按质量百分比计，石墨烯材料的含量为0.1％～15％，表面活性剂含量为0.1％～5％。
步骤2.2，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到所得的混合溶液中，加入的硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物的总量与溶液的质量比为1：(2～3)，浸泡处理并充分搅拌10～20min，沥水后放入到烘箱中，在100～120℃烘干，得到改性粉体。
步骤3，将步骤2所得的改性粉体和竹炭粉、钠长石粉混合均匀，放入雷蒙磨粉机中进行粉碎处理，在粉碎混合处理过程中颗粒间的碰撞产生的温升，利于石墨烯与改性粉体进一步接枝反应，粉碎时间为15～30min，之后取出混合粉体，所得的混合粉体粒径为5～50微米。
步骤4，将步骤3所得的混合粉体装入模具中进行高温烧结，烧结温度为800℃～1200℃，并保持在该温度范围2～4h，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
实施例5
一种石墨烯陶瓷复合滤芯，其原料按质量百分比计包含：硅藻土60％，壳聚糖10％，碳化硅10％，石墨烯材料10％，表面活性剂1％，金属氧化物5％，竹炭粉0.1％、钠长石粉3.9％。
优选地，石墨烯材料包含机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等方法制备的任意多种石墨烯或氧化石墨烯。
金属氧化物包含氧化铝、氧化锌、二氧化锰等中的任意多种。表面活性剂包含二甲基甲酰胺(DMF)。
本实施例还提供了该石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备改性粉体。步骤2包含：
步骤2.1，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理10～20min，得到混合溶液；混合溶液中按质量百分比计，石墨烯材料的含量为0.1％～15％，表面活性剂含量为0.1％～5％。
步骤2.2，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到所得的混合溶液中，加入的硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物的总量与溶液的质量比为1：(2～3)，浸泡处理并充分搅拌10～20min，沥水后放入到烘箱中，在100～120℃烘干，得到改性粉体。
步骤3，将步骤2所得的改性粉体和竹炭粉、钠长石粉混合均匀，放入雷蒙磨粉机中进行粉碎处理，在粉碎混合处理过程中颗粒间的碰撞产生的温升，利于石墨烯与改性粉体进一步接枝反应，粉碎时间为15～30min，之后取出混合粉体，所得的混合粉体粒径为5～50微米。
步骤4，将步骤3所得的混合粉体装入模具中进行高温烧结，烧结温度为800℃～1200℃，并保持在该温度范围2～4h，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
本发明提供的石墨烯陶瓷复合滤芯及其制备方法，在制备石墨烯复合滤芯中，优先制备石墨烯改性粉体，将石墨烯复合在陶瓷粉中，利用石墨烯分散技术，以及陶瓷滤芯生产制备体系生产一种石墨烯陶瓷复合滤芯。该石墨烯复合滤芯具有优异的过滤精度，可以广泛应用在各种场合条件下的净水器中，有效除去水中含有的杂质，净化水质，同时该滤芯还具有优异的抗菌性，其中金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌等，抗菌性达到99％，长久使用还能够防止细菌滋生，避免二次污染，保护人们身体健康。
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)

1.一种石墨烯陶瓷复合滤芯，其特征在于，所述的滤芯的原料按质量百分比计包含：硅藻土60％～70％，壳聚糖10～20％，碳化硅5％～10％，石墨烯材料0.1％～10％，表面活性剂0.1％～1％，金属氧化物0.1％～5％，竹炭粉0.1％～5％、钠长石粉0.1％～5％。
2.如权利要求1所述的石墨烯陶瓷复合滤芯，其特征在于，所述的石墨烯材料包含机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法制备的任意一种或多种石墨烯或氧化石墨烯。
3.如权利要求1所述的石墨烯陶瓷复合滤芯，其特征在于，所述的金属氧化物包含氧化铝、氧化锌、二氧化锰中的任意一种或多种。
4.如权利要求1所述的石墨烯陶瓷复合滤芯，其特征在于，所述的表面活性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺中的任意一种或多种。
5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其特征在于，所述的方法包含：
步骤1，按比例称取各原料；
步骤2，制备改性粉体；
步骤3，将步骤2所得的改性粉体和剩余材料进行粉碎处理，得到混合粉体；
步骤4，将步骤3所得的混合粉体进行高温烧结，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
6.如权利要求5所述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2包含：
步骤2.1，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌之后再进行常温超声处理，得到混合溶液；
步骤2.2，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到步骤2.1所得的溶液中，浸泡处理并充分搅拌，沥水后烘干，得到改性粉体。
7.如权利要求6所述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2.1中，将石墨烯材料、表面活性剂依次加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理10～20min，得到混合溶液；混合溶液中按质量百分比计，石墨烯材料的含量为0.1％～15％，表面活性剂含量为0.1％～5％。
8.如权利要求6所述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2.2中，将硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物加入到所得的混合溶液中，加入的硅藻土、壳聚糖、碳化硅、金属氧化物的总量与溶液的质量比为1：(2～3)，浸泡处理并充分搅拌10～20min，沥水后放入到烘箱中，在100～120℃烘干，得到改性粉体。
9.如权利要求5所述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，将改性粉体和竹炭粉、钠长石粉混合均匀，进行粉碎处理，粉碎时间为15～30min，之后取出混合粉体，所得的混合粉体粒径为5～50微米。
10.如权利要求5所述的石墨烯陶瓷复合滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中，将所得的混合粉体进行高温烧结，烧结温度为800℃～1200℃，并保持在该温度范围2～4h，制得石墨烯陶瓷复合滤芯。
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