一種製備能夠對空氣進行有效淨化的碳纖維布材料的方法

2023-07-12 11:10:26

專利名稱：一種製備能夠對空氣進行有效淨化的碳纖維布材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種製備能夠對空氣進行有效的淨化的碳纖維布材料的方法，特別是提供了一種摻雜稀土元素的溶膠凝膠工藝，能夠製備具有殺菌效用的銳鈦礦型納米二氧化鈦薄膜，屬於精細化工領域。
背景技術：
隨著我國城市化進程加快，城市人口密集程度急劇增加，人們經常處在狹小封閉的環境內生活、工作和娛樂，致使人們排出的廢氣長期滯留在室內，細菌不斷滋生，室內空氣汙濁不堪。另一方面，城市工業汙染及汽車尾氣排放導致室外空氣汙染嚴重，這些含有大量細菌、粉塵的空氣通過空調等途徑進入室內，同樣會對人體健康造成威脅。因此，空氣淨化(殺菌，濾塵)對人類生活環境的改善顯得尤為重要。納米Ti02可廣泛用於汙水處理、 空氣淨化、催化劑及載體等領域。銳鈦礦型納米Ti02有很強的光催化活性，在紫外光作用下，具有很強的殺菌能力。當細菌吸附於納米二氧化鈦薄膜表面時，Ti02被紫外光激發後產生的活性超氧離子自由基(· 0-2)和羥基自由基(· 0H-)能穿透細菌的細胞壁，破壞細胞膜質，進入菌體，阻止成膜物質的傳輸，阻斷其呼吸系統和電子傳輸系統，從而有效地殺滅細菌，並抑制細菌分解有機物產生臭味物質(如H2S、S02、硫醇等)。此外，納米Ti02通過光催化作用可將吸附於其表面的有害化學物質(例如裝飾材料放出的甲醛及生活環境中產生的甲硫醇、硫化氫及氨氣等)分解氧化，從而使空氣中這些物質的濃度降低，減輕或消除環境不適感。目前許多研究和專利均提及到納米Ti02塗覆在各種基體物質上進行光催化殺菌的應用。這些基體主要有不鏽鋼(中國專利CN101709464A)、多孔陶瓷和玻璃纖維布(中國專利CN1467024A)、石英管(中國專利CN101333077A)等，然而以上基體對空氣中的粉塵和細菌的吸附性較差，且與Ti02塗層的結合不好，在實際應用中塗層較易脫落，從而導致殺菌效果變差，限制了它們的實際應用。活性碳纖維布(ACFC)比表面積大，吸附能力強， 而且透氣性能好，具有良好的空氣粉塵過濾及吸附功能。將納米Ti02塗覆在ACFC上，可以使ACFC最大限度的接受光的照射和濾過空氣層，充分發揮Ti02的抗菌殺毒作用。另外，碳纖維布與納米Ti02能夠保持牢固的結合，因此，將納米Ti02塗覆在活性碳纖維布表面，既能提高對空氣粉塵和細菌的吸附性，又能保持基體與塗層的牢固結合，從而大大提高材料的殺菌效率和使用壽命。在活性碳纖維表面塗覆Ti02製備光催化網方面，目前雖有專利進行報導(中國專利CN101579622A)，但該專利製備的納米Ti02未經過稀土等元素摻雜等處理，致使其光催化效果不夠理想。這是因為Ti02光催化薄膜帶隙能量(3.2eV)較寬，原則上只能吸收波長短於387nm的紫外光，光響應範圍較窄，光生電子和空穴容易複合，光量子效率較低，限制了 Ti02光催化膜材料的實際應用和發展。然而稀土元素具有不完全的4f 軌道和5d軌道，具有易產生多電子組態、多晶型、熱穩定性好等優點，適量的稀土元素摻雜 Ti02有利於光生電子和空穴的分離，提高其離子效率。同時，摻雜稀土元素後，Ti02吸收帶也會發生紅移，又可使其吸收光範圍向可見光區拓展，這兩種效應均可提高Ti02的光催化活性。另外適量的稀土摻雜Ti02可以在其表面引入缺陷位置成為電子或缺陷的陷阱，減少電子和空穴的複合，表面的親水性能也得到了改善。因此，稀土離子摻雜效應可以改進Ti02 薄膜在光照下的光催化活性。目前已經有許多文獻或專利關於Ti02中摻雜稀土元素的報導(中國專利CN101721990，CN101716519)，但稀土摻雜改性的納米Ti02在活性碳纖維布上的塗覆仍未見諸報導。本發明是在上述研究現狀與背景下，開發一種成本低、工藝簡單的負載Ti02的方法，得到負載有Ti02的活性碳纖維布，並通過摻雜稀土元素來改性Ti02，將其應用於室內空氣淨化，取得了很好的效果。

發明內容
本發明的目的是提供一種Ti02光催化劑在活性碳纖維布表面負載的方法。得到一種具有負載均勻、質量穩定、成本低、空氣淨化效果好的碳纖維布。該方法不僅工藝簡單， 操作安全，而且環境汙染物排放量小。該發明主要包括溶膠液的配製、溶膠的凝膠化、碳纖維布的熱處理。具體步驟如下(1)製備摻雜有稀土元素的溶膠的工藝包括首先以鈦酸四丁酯、無水乙醇和抑制劑如乙醯丙酮為原料，通過一定的配比製成A溶液，鈦酸四丁酯(純度彡98.0%) 與無水乙醇(純度彡99.7% )、乙醯丙酮(純度彡98.0% )的體積(ml)範圍比為 (17-20) (50-70) (3-5)；再以體積(ml)範圍比為(3-10) (0. 5-20) (2-4)的無水乙醇、去離子水和稀鹽酸(濃度4%)為原料並摻入含量為0.8wt. %的稀土氧化物包括 La203,Y203,Eu203等配製成B溶液。將B液緩慢加入充分攪拌後的A液中，適當時間的電磁攪拌，得到待用溶膠。(2)溶膠的凝膠化前後過程對活性碳纖維布進行丙酮超聲波除油去汙預處理； 將預處理的活性碳纖維布浸漬於溶膠液中若干時間；取出並置於空氣中緩慢凝膠；放入真空恆溫乾燥箱中100°C保溫5 10分鐘。(3)熱處理過程將凝膠化的活性碳纖維布放入馬弗爐中，以5 8°C /min的速度升溫達120°C時並保溫30min，之後繼續以同樣的速度升溫，在400°C時保溫30min，隨後爐冷。本發明的優點在於在溶膠的製備過程中加入了不同種類的稀土物質，提高了銳鈦礦晶型的納米Ti02的光催化性能，納米Ti02在碳纖維布上分布均勻、顆粒細小、結合力強、 純度高，同時保持碳纖維布的高透氣性。與傳統無摻雜稀土方法相比，本方法獲得的碳纖維布殺菌能力更強，使用壽命更長。說明書附圖附

圖1是塗覆納米Ti02碳纖維布的低倍電鏡照片，附圖2是塗覆納米Ti02碳纖維布的高倍電鏡照片，附圖3是活性碳纖維布負載納米二氧化鈦的製備方法工藝流程圖。
具體實施方案實施例1採用溶膠凝膠工藝製備擔載有納米Ti02的活性碳纖維布。
原料鈦酸四丁酯(純度彡98.0% )20ml,乙醯丙酮(純度彡98.0% )3ml，無水乙醇(純度彡99. 7 % ) 55ml，稀鹽酸(濃度4 % ) 2ml，去離子水20ml，活性碳纖維布 300\200讓，稀土氧化物(質量比1^203 Y203 Eu203 = 1 2 1) 0. 17g (按 0. 8wt. % 計算)。 首先製備溶膠，取3ml乙醯丙酮滴入50ml無水乙醇中充分攪拌，隨之加入20ml鈦酸丁酯配成A液；將稀土氧化物溶於2ml稀鹽酸中，再分別量取3. 5ml無水乙醇、17. 5ml去離子水加入其中充分混合攪拌配成B液；後將B液用膠頭滴管緩慢滴入攪拌的A液中，充分攪拌適當時間，製得淺黃色溶膠。對活性碳纖維布進行丙酮超聲波除油去汙預處理；將預處理的活性碳纖維布浸漬於溶膠液中若干時間；取出並置於空氣中緩慢凝膠；放入真空恆溫乾燥箱中100°C保溫5 IOmin0最後進行碳布的熱處理。將碳布置於馬弗爐中以5°C /min的速度升溫至120°C保溫30min，後繼續以相同速度升溫至400°C並保溫30min，隨爐空冷。所製得的碳布效果可經受240小時的連續風力吹掃不發生Ti02塗層的脫落。 將安裝好負載Ti02的碳纖維布的空氣淨化機運行1小時後，呼吸帶臭氧殘留濃度僅為 0. 033mg/m3 ；在20m3空間內運行機器2小時碳纖維布對人工汙染的白色葡萄球菌的消除率為99. 94% ；在體積為86m3的房間內且室內無人的狀態下，運行機器2小時的室內空氣中自然菌平均消除率為94. 12% ；在紫外線燈下，燈管距離碳纖維布IOcm處的輻照強度為 217. 8ym/cm2。實施例2選用二乙醇胺替代乙醯丙酮來製備溶膠，從而進一步製備擔載有納米Ti02的活性碳纖維布。原料鈦酸四丁酯(化學純，純度> 98.0% ) 17. 02ml，二乙醇胺(分析純，純度 ^99.0%)4. 08ml，無水乙醇(分析純，純度> 99. 7% )80ml，稀鹽酸(濃度4% ) 2ml，稀土氧化物(質量比La203 Y203 Eu203 = 1 2 1) 0. 2g (按0. 8wt. %計算)，活性碳纖維布300 X 200mm,去離子水0. 9ml。配置溶膠取17. 02ml鈦酸丁酯放入500ml燒杯中，加入67. 28ml無水乙醇，並加入4. 08ml 二乙醇胺作抑制劑，充分攪拌，製得A液；取0. 2g稀土氧化物溶於2ml稀鹽酸中， 再加入去離子水0. 9ml和無水乙醇10ml，充分攪拌，得B液；將B液用滴管緩慢加入攪拌的A液中得到穩定、均勻、清澈透明的黃橙色溶膠。以與方案一相同的方法將溶膠塗覆於活性碳纖維布上，待表層凝固後於恆溫乾燥箱中保溫5min。最後將此碳布放於馬弗爐中以5°C /min的速度加熱至120°C保溫30min，再以 50C /min速度升溫至400°C保溫30min，之後隨爐空冷。方案一和方案二的原理大致相同，只是原料配比及A液的抑制劑不同。但一般情況下會優先選擇方案一，這是由於方案二中的二乙醇胺的熔點較高，為28°C，常溫時便容易凝固，實驗量取不方便。所製得的碳布效果可經受240小時的連續風力吹掃不發生Ti02塗層的脫落。 將安裝好負載Ti02的碳纖維布的空氣淨化機運行1小時後，呼吸帶臭氧殘留濃度僅為0. 033mg/m3 ；在20m3空間內運行機器2小時碳纖維布對人工汙染的白色葡萄球菌的消除率為99. 97% ；在體積為86m3的房間內且室內無人的狀態下，運行機器2小時的室內空氣中自然菌平均消除率為96. 57% ；在紫外線燈下，燈管距離碳纖維布10cm處的輻照強度為 230. 5ym/cm2。
權利要求
1.一種製備能夠對空氣進行有效的淨化的碳纖維布材料的方法，其特徵在於將含有鈦元素的化合物製備成溶膠，塗敷於活性碳纖維布；然後使溶膠變為凝膠，對帶有凝膠的碳布進行熱處理。
2.根據權利要求1所述的製備能夠對空氣進行有效的淨化的碳纖維布材料的方法，其特徵在於所述含有鈦元素的化合物是鈦酸四丁酯Ti (0C4H9)4。
3.根據權利要求1所述的製備能夠對空氣進行有效的淨化的碳纖維布材料的方法，其特徵在於所述製備成溶膠的工藝包括按體積範圍比為(17-20) (50-70) (3-5)依次取鈦酸四丁酯、無水乙醇和抑制劑乙醯丙酮為原料，充分攪拌配成A液；再以體積範圍比為(3-10) (0.5-20) (2-4)的無水乙醇、去離子水和稀鹽酸為原料並摻入質量分數為 0.8%的稀土氧化物配製成B溶液，其中，稀土氧化物為質量比La203 Y203 Eu203 = 1:2: 1的混合物；將B液緩慢加入充分攪拌後的A液中，適當時間的電磁攪拌，得到溶膠。
4.根據權利要求1所述的製備能夠對空氣進行有效的淨化的碳纖維布材料的方法， 其特徵在於所述溶膠的凝膠化過程包括對活性碳纖維布進行丙酮超聲波除油去汙預處理；將預處理的活性碳纖維布浸漬於溶膠液中一段時間；取出並置於空氣中緩慢凝膠；放入真空恆溫乾燥箱中100°C保溫5-lOmin。
5.根據權利要求1所述的製備能夠對空氣進行有效的淨化的碳纖維布材料的方法，其特徵在於所述熱處理包括帶有凝膠的碳布以5°C /min的加熱速度升溫，在120°C保溫半小時，之後仍以5°C /min速度升溫至400°C保溫半小時，再隨爐空冷。
全文摘要
本發明提供了一種用溶膠凝膠工藝，製備能夠對空氣進行有效的淨化的碳纖維布材料的方法，其特徵在於將含有鈦元素的化合物製備成溶膠，塗敷於活性碳纖維布；然後使溶膠變為凝膠，對帶有凝膠的碳布進行熱處理。本發明的優點在於能夠製備出含有分布均勻、物相穩定為銳鈦礦結構、含量適當的TiO2的碳纖維布，並且該TiO2中摻有稀土元素，有利於改性TiO2，提高殺菌率，同時此種製作方法降低了成本，提高了碳纖維布的淨化空氣的性能，納米TiO2與碳纖維布的結合牢固，在高風速情況下可連續風力吹掃240小時而不出現脫落。不僅對環保材料製備具有創新性意義，而且對於該類材料領域的理論與實踐也具有推動作用。本發明的塗覆納米TiO2的碳纖維布對呼吸帶臭氧具有消除作用；同時對人工汙染的白色葡萄球菌的消除率高達99.97％；無人狀態下室內空氣中自然菌的平均消除率為95.34％；紫外線輻照強度為217.8～230.5μm/cm2。該含有TiO2的碳纖維布能夠廣泛用於室內空氣淨化，能提高空氣品質，有利於環境保護，創造經濟與社會效益。
文檔編號A61L9/18GK102151562SQ20111003669
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月12日 優先權日2011年2月12日
發明者袁在田 申請人:袁在田