CN113750978B - 一种多孔复合材料及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于吸附催化领域，涉及一种高效吸附多孔材料的制备方法及应用。本发明提供一种多孔复合材料的制备方法，具体为：先用多孔吸附材料和高分子粘结剂在溶剂作用下制得固含量为10wt％～80wt％的吸附浆料；再将多孔骨架材料和吸附浆料通过挤压或辊压的方式，使得吸附浆料均一地渗入多孔骨架材料，实现吸附浆料中的多孔吸附材料均一地包覆在多孔骨架材料的表面，并在其表面自发形成均一的涂层结构，从而制得了多孔复合材料。本发明采用挤压或辊压辅助成型可以在高固含量浆料(质量分数大于30wt％)下对任意孔尺寸的泡棉实现均匀包覆，并维持多孔结构；所得多孔复合材料中多孔吸附材料的单次载量高，能够用于吸附净化有害气体。

Description

一种多孔复合材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于吸附催化领域，具体涉及一种高效吸附多孔材料的制备方法及其在空气净化领域的应用。
背景技术
随着科技的发展以及人们观念的进步，对于空气质量的重视程度逐渐提高。传统家用空气净化器滤芯由HEPA滤网和活性炭层两部分组成，其中HEPA滤网对粉尘以及颗粒物有较好的过滤性能，活性炭层则负责对空气中的有害气体进行吸附。一般过滤器中的活性炭层是用粘接剂将活性炭颗粒粘接起再进行发泡处理，所制得的过滤层孔洞很大，且这种过滤器对于有害气体的单次捕捉效率有限，即通过的气体有很大一部分没有与活性炭进行接触，因此需要长时间反复工作才能对甲醛等有害气体实现有效吸附。同时，过滤器本身是对周围空气中的有毒气体进行吸附，并不能从气体挥发的源头对其进行捕捉。
新装修的房子普遍会存在由新家具引起的室内甲醛超标的问题，一般的产品是将活性炭堆叠，封装后放在橱柜中来实现受限空间内的甲醛吸附，这种产品本身与家具的接触面积不大，同时产品内部空气流通受限，很难实现高效吸附，从而难以避免家具中的甲醛扩散到室内。
发明内容
针对上述现有空气净化器中活性炭层以及商用产品活性炭包过滤效率低、形式单一、功能单一等问题，本发明针对有毒气体的高效吸附以及对其在挥发源头处进行捕捉两个方面进行设计，通过调整合适的配方以及加工方法制作出高效吸附有毒气体的、形状自由的多孔复合材料。
本发明的技术方案：
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种多孔复合材料的制备方法，所述制备方法为：先用多孔吸附材料和高分子粘结剂在溶剂作用下制得固含量为10wt％～80wt％的吸附浆料；再将多孔骨架材料和吸附浆料通过挤压或辊压的方式，使得吸附浆料均一地渗入多孔骨架材料，实现吸附浆料中的多孔吸附材料均一地包覆在多孔骨架材料的表面，并在其表面自发形成均一的涂层结构，从而制得了多孔复合材料。
进一步，所述多孔骨架材料包括：聚烯烃泡棉、乙烯-醋酸乙烯(EVA)泡棉、三元乙丙橡胶(EPDM)泡棉、聚氨酯泡棉或密胺泡棉中的至少一种；其占整个多孔复合材料质量的1wt％～99wt％。
进一步，所述多孔吸附材料包括：活性炭、炭黑、石墨、石墨烯、活性白土、金属有机框架(MOF)或高岭土中的至少一种，其在整个多孔复合材料中的质量占比为1wt％～99wt％。
优选的，所述多孔吸附材料比表面积为10m2/g～5000m2/g。
进一步，所述高分子粘接剂包括：聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)、左旋聚乳酸(PLLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、明胶、小麦蛋白、丝素蛋白或玉米蛋白中的至少一种；其在整个多孔复合材料中的质量占比为0.1wt％～50wt％。
进一步，上述制备方法为：先将多孔吸附材料和高分子粘结剂在溶剂的作用下制成固含量为10wt％～80wt％的浆料；再将所得浆料涂敷在多孔骨架材料表面；然后通过挤压或辊压的方式使得多孔吸附材料均一地包覆在多孔骨架材料的表面；最后干燥即得所述多孔复合材料。
优选的，所述多孔骨架材料的孔尺寸在15PPI～100PPI，PPI为描述孔尺寸的单位，数值越小，孔径越大；多孔骨架材料的厚度大于0.1mm。
进一步，所述溶剂选自：N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、正己烷、二氯甲烷、四氢呋喃、环己烷、甲苯、甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、正丁醇、甲酸、乙酸、丙酮或去离子水中的至少一种。
进一步，上述多孔复合材料的制备方法中，根据实际应用需要，在制成吸附浆料的过程中，还可加入导电剂、催化剂、抗菌纳米颗粒等功能助剂。
所述的抗菌颗粒包括：纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米氧化铝、纳米银、纳米铜的一种或多种，占复合材料质量的1wt％～10wt％。
所述的催化剂包括：金属铂、铑、钯、镍、铱、铂钌合金、铂铱合金的一种或多种，占复合材料质量的1～10wt％。
所述的导电剂包括：科琴黑、石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、SuperC45、活性炭和木炭的一种或多种，占整个复合材料质量的1～99wt％。
进一步，所述多孔复合材料可通过热压成型、切割等常用的方式加工成各种样式、各种尺寸的制品。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种多孔复合材料，其采用上述方法制得。
进一步，所述多孔复合材料中多孔吸附材料的负载量≥65wt％。
本发明要解决的第三个技术问题是指出上述多孔复合材料用作吸附材料(吸附净化有害气体)、催化材料(气体的催化转化)或导电材料(电容器等)领域。
本发明的有益效果：
1.现有技术中多采用浸泡成型，这种成型方法存在一定的局限性，容易在干燥过程中产生沉降或者收缩从而破坏孔结构；而本发明采用挤压或辊压辅助成型可以在高固含量浆料(固含量≥10wt％)下对任意孔尺寸的泡棉实现均匀包覆，并且维持多孔结构。
2.本发明所得多孔复合材料中多孔吸附材料的单次载量高，即一次加料挤压成型后所得制品载量≥65wt％；因此能够用于吸附净化有害气体。
3.本发明由于采用了挤压或辊压辅助成型的方式，能够使浆料在不超过20s的时间均一地渗入多孔骨架材料；即能够实现快速制备多孔复合材料。
4.本发明所得多孔复合材料中的涂层(包覆层)结构为多孔，且包覆层厚度可控，根据浆料固含量和加料量进行调控。
5.本发明能够实现形状可定制，尺寸外形不受限，可以加工制作成各种外形，由此可以衍生出装饰品等功能。
6.本发明发明方法制备路径简单，设备要求低、效率高，可实现大规模工业生产。
附图说明
图1为本发明实例1、2、3、4、6、7所采用的未处理的聚氨酯泡棉的SEM图。
图2为本发明实例1所制备的复合泡棉的实物图和SEM图。
图3为本发明实例2所制备的复合泡棉的实物图和SEM图。
图4为本发明实例3所制备的复合泡棉的实物图和SEM图。
图5为本发明实例4所制备的复合泡棉的实物图。
图6为本发明实例5所制备的复合泡棉的实物图。
图7为本发明实例6所制备的复合泡棉的实物图和SEM图。
图8为本发明实例7所制备的复合泡棉的实物图。
图9为商品活性炭吸附甲醛能力测试装置的示意图。
图10为发明实例1所制备的复合泡棉吸附甲醛能力测试装置的示意图。
图11为密闭容器内甲醛自然流失情况与商品活性炭、发明实例1所制备的复合泡棉吸附甲醛能力的对比图。
图12为复合泡棉模拟空气净化器吸附甲醛的测试装置示意图。
图13为复合泡棉模拟空气净化器吸附甲醛的测试结果图。
图14为商品活性炭从挥发源头吸附甲醛能力的测试装置示意图。
图15为发明实例3所采用的粉末活性炭从挥发源头吸附甲醛能力的测试装置示意图。
图16为发明实例3所制备的复合泡棉从挥发源头吸附甲醛能力的测试装置示意图。
图17为商品活性炭、发明实例3所采用的粉末活性炭以及发明实例3制备的复合泡棉对挥发源头甲醛吸附能力测试结果的对比图。
具体实施方式
本发明先将多孔吸附材料与高分子粘接剂的浆料均一混合制备成浆料；所得浆料通过对多孔骨架材料进行快速润湿、涂覆渗透及复合，最终在多孔骨架材料骨架表面自发形成具有均一的微纳颗粒涂层结构的多孔复合材料；所得复合材料体现出优良的有毒气体吸附净化效果。
本方法通过对功能活性颗粒浆料的配方组成、流变性能以及其与骨架材料亲和力的调控，实现了在多种富孔骨架材料的表面原位形成大量且均一的活性功能材料包覆。所得的复合多孔复合材料，可以在确保空气流通顺畅的前提下大大提高其对有毒气体的吸附净化功能。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
实施例1
将30重量份的高分子粘接剂玉米蛋白和70重量份的多孔吸附材料活性炭常温下预混，加入体积比为1：2的水和乙酸混合溶剂使最终浆料的固含量在30wt％，将60ppi聚氨酯泡棉裁成100mm*100mm*20mm的长方体，将浆料均匀涂敷在聚氨酯泡棉表面，将泡棉置于两片平整玻璃板之间反复挤压，浆料在挤压作用下沿着泡棉骨架浸润，在泡棉自身弹性的作用下多孔结构可以在挤压后恢复，最后将浸润浆料的泡棉置于60℃鼓风烘箱中30min烘干，从而制得用于有害气体吸附的复合泡棉，其中多孔吸附材料的质量占复合材料总质量的65％。
实施例2
将30质量份的高分子粘接剂玉米蛋白和70质量份的多孔吸附材料活性炭常温下预混，加入体积比为1：2的水和乙酸混合溶剂使最终浆料的固含量在35wt％，将60ppi聚氨酯泡棉裁成直径50mm厚度20mm的圆柱，将浆料均匀涂敷在聚氨酯泡棉表面，将泡棉置于两片平整玻璃板之间反复挤压，浆料在挤压作用下沿着泡棉骨架浸润，在泡棉自身弹性的作用下多孔结构可以在挤压后恢复，最后将浸润浆料的泡棉置于60℃鼓风烘箱中30min烘干，从而制得用于有害气体吸附的复合泡棉，其中多孔吸附材料质量占多孔复合材料总质量的70％。
实施例3
将25质量份的高分子粘接剂玉米蛋白和75质量份的多孔吸附材料活性炭常温下预混，加入体积比为1：2的水和乙酸混合溶剂使最终浆料的固含量在35wt％，将60ppi聚氨酯泡棉裁成直径50mm厚度20mm的圆柱，将浆料均匀涂敷在聚氨酯泡棉表面，将泡棉置于两片平整玻璃板之间反复挤压，浆料在挤压作用下沿着泡棉骨架浸润，在泡棉自身弹性的作用下多孔结构可以在挤压后恢复，最后将浸润浆料的泡棉置于60℃鼓风烘箱中30min烘干；将烘干后的泡棉于120℃，4000kg下在真空压机中压十分钟，冷却至40℃后取出。
实施例4
将20质量份的高分子粘接剂玉米蛋白和80质量份的多孔吸附材料活性炭常温下预混，加入体积比为1:2的水和乙酸混合溶剂使最终浆料的固含量在在35wt％，将60ppi聚氨酯泡棉裁成蝙蝠以及鹰的形状，将浆料均匀涂敷在聚氨酯泡棉表面，将泡棉置于两片平整玻璃板之间反复挤压，浆料在挤压作用下沿着泡棉骨架浸润，在泡棉自身弹性的作用下多孔结构可以在挤压后恢复，最后将浸润浆料的泡棉置于60℃鼓风烘箱中30min烘干。
实施例5
将30质量份的高分子粘接剂玉米蛋白和70质量份的多孔吸附材料活性炭常温下预混，加入体积比为1：2的水和乙酸混合溶剂使最终浆料的浓度在40wt％，将15ppi聚氨酯泡棉裁成直径50mm厚度20mm的圆柱，将浆料均匀涂敷在聚氨酯泡棉表面，将泡棉置于两片平整玻璃板之间反复挤压，浆料在挤压作用下沿着泡棉骨架浸润，在泡棉自身弹性的作用下多孔结构可以在挤压后恢复，最后将浸润浆料的泡棉置于60℃鼓风烘箱中30min烘干，从而制得用于有害气体吸附的复合泡棉，其中多孔吸附材料质量占复合材料总质量的70％。
实施例6
将20质量份的高分子粘接剂PVAc、77质量份的多孔吸附材料活性炭和3质量份的纳米二氧化钛活性炭常温下预混，加入乙醇溶剂使最终浆料的浓度在35wt％，将60ppi聚氨酯泡棉裁成直径50mm厚度20mm的圆柱，将浆料均匀涂敷在聚氨酯泡棉表面，将泡棉置于两片平整玻璃板之间反复挤压，浆料在挤压作用下沿着泡棉骨架浸润，在泡棉自身弹性的作用下多孔结构可以在挤压后恢复，最后将浸润浆料的泡棉置于60℃鼓风烘箱中30min烘干，从而制得用于有害气体吸附的复合泡棉，其中多孔吸附材料质量占总质量的65％。
实施例7
将20质量份的高分子粘接剂PVAc和80质量份的多孔吸附材料活性炭常温下预混，加入乙醇溶剂使最终浆料的固含量在20wt％，将60ppi聚氨酯泡棉裁成6000mm*3000mm*20mm的长方体，将泡棉材料置于双辊间，与辊入口处加浆料，浆料在辊压作用下沿着泡棉骨架浸润，在泡棉自身弹性的作用下多孔结构可以在挤压后恢复，最后将浸润浆料的泡棉置于60℃鼓风烘箱中30min烘干，从而制得用于有害气体吸附的复合泡棉，其中多孔吸附材料质量占总质量的65％。
图1为本发明实例1、2、3、4、6、7所采用的未处理的聚氨酯泡棉的SEM图；从图中可以看出泡棉骨架较光滑；图2为本发明实例1所制备的复合泡棉(多孔复合材料)的实物图和SEM图，图3为本发明实例2所制备的复合泡棉的实物图和SEM图，与未处理的泡棉对比，可以看出多孔吸附材料在高分子粘接剂的作用下在骨架表面形成了较均匀的多孔包覆层，且多孔吸附材料占比越高，包覆情况越好，多孔包覆层越厚；并且泡棉骨架自身形成的多孔结构几乎没有被堵住，从而确保空气能够流通。
图4为本发明实例3所制备的复合泡棉的实物图和SEM图，从图中可以看出，压机压缩处理后的泡棉整体变薄，厚度在3mm左右，且具有很好的形状稳定性，SEM图中可以看出压缩后的泡棉内部仍存在较多孔隙，因此气体可以在其中流通。图5为本发明实例4所制备的复合泡棉的实物图，图6为本发明实例5所制备的复合泡棉的实物图。图7为本发明实例6所制备的复合泡棉的实物图和SEM图。图8为本发明实例7所制备的复合泡棉的实物图。可以看出产品的形状取决于多孔基体材料的形状，形状的可定制性赋予的产品丰富的外观以及在诸多领域应用的可能。
用于有害气体吸附的复合泡棉的吸附能力测试：
密闭容器中滴入甲醛水浆料，待浆料挥发完全后测定容器内部甲醛浓度，之后将商品活性炭打开倒在培养皿中，每十分钟测量并记录密闭容器内甲醛浓度，图9为商品活性炭吸附甲醛能力测试装置的示意图。
用同样的方法对实施例1制备的复合泡棉进行吸附能力测试，图10为实施例1所制备的复合泡棉吸附甲醛能力测试装置的示意图。
图11为密闭容器内甲醛自然流失情况与商品活性炭、实施例1所制备的复合泡棉吸附甲醛能力的对比图。其中所用的商品活性炭质量与复合泡棉中的活性炭的质量相等。控制初始甲醛浓度相同，一小时内自然流失率为26.4％，四小时测试时间总自然流失率为39.6％；商品活性炭一小时内甲醛去除率为36.6％，四小时测试时间总去除率为44.2％；本发明所得复合泡棉一小时内甲醛去除率为68.3％，四小时测试时间总去除率为83.3％。从测试结果来看，在活性炭质量相等的情况下，商品活性炭对密闭容器中甲醛吸附情况与该容器中甲醛自然流失量相近，可见当前市面上的商品活性炭甲醛吸附包对甲醛的去除效果十分有限。对比可以看出本发明实施例1制备的复合泡棉能够在较短的时间内达到很高的去除效率。
密闭容器中滴入甲醛水浆料，待浆料挥发完全后测定容器内部甲醛浓度，之后将实施例2制备的复合泡棉通过变径套筒与风机组合在一起，打开风机，容器内部的气体在风机的作用下不断通过实施例2制备的复合泡棉，每十分钟测量并记录密闭容器内甲醛浓度，图12为复合泡棉模拟空气净化器吸附甲醛的测试装置示意图。图13为复合泡棉模拟空气净化器吸附甲醛的测试结果图，从图中可以看出，在一个小时中，容器内部甲醛含量不断降低，从最初的0.64PPM一直降到了0.08PPM，去除效率达87.5％。
培养皿中滴加甲醛浆料，之后将载有商品活性炭的滤纸置于其上方，确保挥发出来的甲醛必定经过滤纸及产品后才会流入环境中，测量并记录容器内部甲醛浓度的变化情况。图14为商品活性炭从挥发源头吸附甲醛能力的测试装置示意图。
用同样的方法对实施例3所采用的粉末活性炭进行吸附能力测试，图15为实施例3所采用的粉末活性炭从挥发源头吸附甲醛能力的测试装置示意图。
用同样的方法对实施例3制备的复合泡棉进行吸附能力测试，图16为实施例3所制备的复合泡棉从挥发源头吸附甲醛能力的测试装置示意图。
图17为商品活性炭、实施例3所采用的粉末活性炭以及实施例3制备的复合泡棉对挥发源头甲醛吸附能力测试结果的对比图；由图可知，粉末活性炭以及复合泡棉均能使体系内甲醛浓度维持在比较低的水平，说明甲醛在挥发后大部分被粉末活性炭所吸附，相对比下商品活性炭从源头吸附甲醛的能力也很一般。
以上通过两种实例对产品的实际应用情况做了模拟，无论是对环境中已有甲醛的吸附还是从源头处对甲醛进行吸附，均有很好的效果。而本发明的制备工艺流程简单，设备要求低，可实现大规模生产，并且泡棉本身的形状高度可塑，因此本发明产品可以适应多种使用环境。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多孔复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：先用多孔吸附材料和高分子粘结剂在溶剂作用下制得固含量为10 wt%～80 wt%的吸附浆料；再将多孔骨架材料和吸附浆料通过挤压或辊压辅助成型的方式，使得吸附浆料均一地渗入多孔骨架材料，实现吸附浆料中的多孔吸附材料均一地包覆在多孔骨架材料的表面，并在其表面自发形成均一的涂层结构，从而制得了多孔复合材料；
其中，所述多孔骨架材料包括：聚烯烃泡棉、乙烯-醋酸乙烯泡棉、三元乙丙橡胶泡棉、聚氨酯泡棉或密胺泡棉中的至少一种；所述多孔吸附材料包括：活性炭、炭黑、石墨、石墨烯、活性白土、金属有机框架或高岭土中的至少一种；所述高分子粘结剂包括：聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚环氧乙烷、聚乙二醇、聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、左旋聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、明胶、小麦蛋白、丝素蛋白或玉米蛋白中的至少一种；其在整个多孔复合材料中的质量占比为0.1 wt%～50 wt%；所述溶剂选自：N,N-二甲基甲酰胺、正己烷、二氯甲烷、四氢呋喃、环己烷、甲苯、甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、正丁醇、甲酸、乙酸、丙酮或去离子水中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的多孔复合材料的制备方法，其特征在于，所述多孔复合材料的制备方法中，在制成吸附浆料的过程中，还加入功能助剂；所述功能助剂包括导电剂、催化剂或抗菌纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的多孔复合材料的制备方法，其特征在于，所述的抗菌纳米颗粒包括：纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米氧化铝、纳米银、纳米铜的至少一种；
所述的催化剂包括：金属铂、铑、钯、镍、铱、铂钌合金、铂铱合金的至少一种；
所述的导电剂包括：科琴黑、石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、SuperC45、活性炭和木炭的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的多孔复合材料的制备方法，其特征在于，所述多孔复合材料通过热压成型、切割的方式加工成各种样式、各种尺寸的制品。
5.一种多孔复合材料，其特征在于，所述多孔复合材料采用权利要求1～4任一项所述的多孔复合材料的制备方法制得。
6.根据权利要求5所述的一种多孔复合材料，其特征在于，所述多孔复合材料中多孔吸附材料的负载量≥65wt%。
7.多孔复合材料在吸附材料、催化材料或导电材料中的用途，所述多孔复合材料为权利要求5或6所述的多孔复合材料。
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