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一种花状氧化锌基复合纳米颗粒玻璃纤维滤芯及制备方法

花匠小妙招
2025-04-24 23:10

本发明属于复合功能材料技术领域，具体涉及一种花状氧化锌基复合纳米颗粒玻璃纤维滤芯及制备方法。

背景技术：

随着人民生活水准的日益提升，人们对室内装修提出了更高的要求。然而由于建筑装修材料中含有大量可挥发性污染物导致室内空气污染日益严重，因此人们对空气净化器出现了爆发性的需求，其中光触媒技术由于其环保特性而引起了人们的重视；但目前市场上光催化技术有很多都存在有效率低下的问题，所以对光催化剂的改性研究以及与其它净化技术相结合并应用于空气净化器就尤为重要。目前对于空气滤材的过滤性能有很多研究，但基于空气滤芯的抗菌改性的研究还很好，传统的抗菌改性也较为繁琐，不利于大批量的工业化生产。所公开的空气过滤净化材料的滤芯部分采用静电纺丝的方法，该工艺用于大规模生产的实用性不高，或者空气滤芯通过简单的物理结合光催化颗粒，无法解决光催化纳米颗粒的负载脱落的问题。因此，此发明基于一种微波快速合成反应引入花状氧化锌基复合纳米光催化颗粒颗粒得到具有可见光响应抗菌的空气滤芯。

技术实现要素：

针对目前现有技术的空气过滤抗菌滤芯，无法解决光催化颗粒的粘结脱落问题，同时传统制备抗菌滤材的工艺较为繁琐。本发明提供一种花状氧化锌基复合纳米颗粒玻璃纤维滤芯及制备方法，在提高空气过滤性能的同时，利用微波快速反应的特点，一步原位在超细玻璃纤维棉上生长花状氧化锌基复合光催化颗粒，有效提高纳米颗粒的附着位点，极大程度上提高空气滤芯的光催化降解效果和抗菌能力。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可见光光催化空气净化玻璃纤维滤芯，组成为：6～12wt%氧化锌基复合光催化纳米颗粒，3～9wt%粘结体系，其余组分为超细玻璃纤维棉79～91wt%，三种原料总和是100%。

优选的，所述超细玻璃纤维棉组成为：sio2：56.5~66.5wt%，al2o3：2.5~7.5wt%，mgo：4.5~8.5wt%，cao：1.5~4.5wt%，b2o3：3~6.5wt%，fe2o3+zno+bao：4.5~7.5wt%，碱金属氧化物r2o（na2o+k2o）：8~10.5wt%；

优选的，所述粘结体系由粘结剂和改性剂组成；

优选的，所述粘结剂为纯丙乳液、硅丙乳液、苯丙乳液、醋丙乳液和改性酚醛树脂中尿素改性酚醛树脂、聚氨酯改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂中的一种或几种，质量为占可见光光催化空气净化玻璃纤维滤芯的总质量的2~5%；

优选的，所述改性剂为kh550、kh560、kh792硅烷偶联剂中的一种或几种，质量为可见光光催化空气净化玻璃纤维滤芯的总质量量的1~4%；

优选的，所述光催化复合纳米级颗粒为a、b、c和d类，a类光催化纳米颗粒为氧化锌，b类光催化纳米颗粒为石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯量子点其中的一种或几种,c类光催化纳米颗粒为纳米银颗粒和纳米银线中的一种或几种，d类光催化纳米颗粒为氧化钛、氧化锡或氧化钨其中的一种或几种，a、b、c和d四类复合纳米级颗粒含量占花状氧化锌基复合纳米颗粒玻璃纤维滤芯的总重量的6~12wt%；

优选的，其特征在于，所述光催化纳米级颗粒的制备方法为：微波合成反应法或沉淀法或溶胶凝胶法或水热法；

一种花状氧化锌基复合纳米颗粒空气净化玻璃纤维滤芯的制备方法，包括以下步骤：

（1）配置花状氧化锌基复合光催化颗粒前驱体溶液；

（2）选择两种及以上不同直径的玻璃纤维棉，通过纤维解离器将选取的玻璃纤维棉放入含有光催化纳米颗粒和银纳米颗粒的混合液中搅打和分散成均匀的浆料；

（3）将浆料输送至成型造纸机进行湿法成型，然后将成型的获得纳米颗粒种子层的湿纸浸渍于粘结体系中，再进行烘干处理；

（4）将制得的玻璃纤维滤芯进行微波快速反应合成处理使得含花状氧化锌基复合光催化纳米颗粒原位生长附着在玻璃纤维滤纸的每一根超细玻璃纤维上，

（5）将负载花状氧化锌基复合光催化颗粒的玻璃纤维滤纸通过干燥退火处理制得具有高光催化抗菌效能的空气净化玻璃纤维滤纸，然后将制得的玻璃纤维滤芯经过打折机的打折处理，最终制得具有快速可见光光催化效果的空气净化玻璃纤维滤芯，

优选的，步骤（1）中光催化纳米颗粒包括：花状氧化锌、纳米氧化钛、氧化硅、氧化锆、纳米银和石墨烯类；

优选的步骤如下：称取氧化锌锌源溶解在超纯水中，通过加入氨水溶液控制锌氨络合物析出沉淀，随后通过抽滤使沉淀分离，再通过超纯水和无水乙醇充分清洗沉淀，恒温干燥箱烘干得到锌氨络合物沉淀；将6mg/ml附着附着b、c和d类光催化纳米颗粒的溶液加入到制备的锌氨络合物沉淀中，通过氨水和超纯水配置为4.0-5.0mol/l的前驱体溶液中，超声震荡30min使其充分分散；

优选的，步骤（2）所述玻璃纤维棉的直径正态分布与0.6~4μm之间，平均纤维直径为2.2μm，超细玻璃纤维棉的纤维长度正态分布在15～30mm，平均纤维长度为20mm；

优选的，步骤（2）所述纤维解离器的打浆转速在5000～12000转/分钟，浆料浓度为5～10wt%，浆料ph值为3.0～5.0；

优选的，步骤（3）所述烘干处理为在100~115℃的烘板上烘制5±1min；

优选的，步骤（4）中微波快速反应加热温度为70-100℃，反应时间为1-4min；

优选的，步骤（5）中干燥退火条件为60℃~100℃退火30-60min。

本发明的有益效果：

本发明首先将氧化锌基光催化剂以种子层的形式负载于超细玻璃棉上，给后续花状氧化锌提供生长位点，极大程度上提高其它复合光催化颗粒的负载结合力，同时氧化锌基复合光催化颗粒在每一根超细玻璃纤维上包覆性紧密、颗粒不易发生团聚，使得最后制备出的空气净化玻璃纤维滤芯光催化抗菌性能更加优异；通过氧化锌基复合光催化颗粒前驱体混合液。一方面引入食品级的氧化锌，人体不会对其产生排异反应，有效避免了光催化剂本身对人体危害，另一方面引入石墨烯等目前已具备大批量生长工艺的改性颗粒，在增加光催化颗粒分散程度的同时，还能十分显著的提高可见光光催化抗菌性能。

相比于其它形状氧化锌复合光催化颗粒，如颗粒状、棒状等，花状氧化锌复合光催化颗粒比表面积更大，表面可承载附着光催化纳米颗粒的量更多，而且负载的空间方向和活性位点更加丰富，造成在相同光催化颗粒负载量下，花状氧化锌基复合光催化抗菌空气滤芯在可见光下的降解性和杀菌性都更高。

附图说明

图1本发明制备的花状氧化锌基复合纳米颗粒空气净化玻璃纤维滤芯示意图

图2本发明制备的花状氧化锌基复合纳米颗粒空气净化玻璃纤维滤芯负载光催化剂材料扫描电镜1000倍图；

图3本发明制备的花状氧化锌基复合纳米颗粒空气净化玻璃纤维滤芯负载光催化剂材料扫描电镜4600倍图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明做一进步说明，本实施例制备了一种可见光光催化空气净化玻璃纤维滤芯，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

实施例1

称取乙酸锌2g溶解于50ml的去离子水中，加入1.5ml的氨水，沉淀抽滤45℃烘干10h。称取沉淀抽滤的锌氨络合物沉淀、纳米银颗粒、石墨烯量子点和纳米氧化钨配置为4mol/l的氧化锌基溶液前驱体，其中氨水取20ml，去离子水取20ml。取直径为3.0μm的超细玻璃纤维棉40份和直径为0.6μm的超细玻璃纤维棉10份，浸泡在混有溶胶凝胶制备的250nm纳米氧化钛颗粒和20nm银纳米颗粒的种子层水溶液中5min，通过纤维解离器以6000转/每分钟的速度耗时3min打散玻璃纤维棉，制备质量浓度为6%的纸浆悬浊液。通过浆料运输机运输至成型造纸机湿法成型抄制成片。然后再将成型的湿纸浸泡于聚氨酯改性酚醛树脂和kh550混合稀释为占重质量为3%的的粘结剂体系中，于100℃的烘板上烘干5min。将上述制备的滤纸放入微波快速反应器中70℃，反应1min。最后将样品置于鼓风干燥箱60℃中烘干30min，制备出玻璃纤维滤纸，然后将制得的玻璃纤维滤纸经过打折机的打折处理，最终制得具有可见光光催化效果的空气净化玻璃纤维滤芯。制备出的花状氧化锌基复合纳米颗粒空气净化玻璃纤维滤芯可以达到在可见光的条件下4h对大肠杆菌的灭活达100%，过滤阻力480pa,过滤效率99.999%，强度0.9kn/m。

实施例2

称取硫酸锌2g溶解于50ml的去离子水中，加入1.5ml的氨水，沉淀抽滤45℃烘干10h。称取沉淀抽滤的锌氨络合物沉淀、纳米银线、石墨烯和纳米氧化钨配置为5mol/l的氧化锌基溶液前驱体，其中氨水取20ml，去离子水取20ml。取直径为3.0μm的超细玻璃纤维棉40份和直径为0.6μm的超细玻璃纤维棉10份，浸泡在混有溶胶凝胶制备的纳200nm氧化钛颗粒和20nm纳米银颗粒的种子层水溶液中5min，通过纤维解离器以7000转/每分钟的速度耗时4min打散玻璃纤维棉，制备质量浓度为7%的纸浆悬浊液。通过浆料运输机运输至成型造纸机湿法成型抄制成片。然后再将成型的湿纸浸泡于聚氨酯改性酚醛树脂和kh550混合稀释为占重质量为6%的的粘结剂体系中，于100℃的烘板上烘干5min。将上述制备的滤纸放入微波快速反应器中85℃，反应2min。最后将样品置于鼓风干燥箱60℃中烘干30min，制备出玻璃纤维滤纸，然后将制得的玻璃纤维滤纸经过打折机的打折处理，最终制得具有可见光光催化效果的空气净化玻璃纤维滤芯。制备出的花状氧化锌基复合纳米颗粒空气净化玻璃纤维滤芯可以达到在可见光的条件下3h对大肠杆菌的灭活达100%，过滤阻力480pa,过滤效率99.999%，强度0.9kn/m。

实施例3

称取硫酸锌4g溶解于50ml的去离子水中，加入3ml的氨水，沉淀抽滤45℃烘干10h。称取沉淀抽滤的锌氨络合物沉淀、纳米银线、石墨烯和纳米氧化钛配置为6mol/l的氧化锌基溶液前驱体，其中氨水取20ml，去离子水取20ml。取直径为3.5μm的超细玻璃纤维棉40份和直径为0.6μm的超细玻璃纤维棉10份，浸泡在混有溶胶凝胶制备的120nm纳米氧化钛颗粒和20nm纳米银颗粒的种子层水溶液中5min，通过纤维解离器以8000转/每分钟的速度耗时4min打散玻璃纤维棉，制备质量浓度为10%的纸浆悬浊液。通过浆料运输机运输至成型造纸机湿法成型抄制成片。然后再将成型的湿纸浸泡于聚氨酯改性酚醛树脂和kh550混合稀释为占重质量为9%的的粘结剂体系中，于100℃的烘板上烘干5min。将上述制备的滤纸放入微波快速反应器中100℃，反应5min。最后将样品置于鼓风干燥箱60℃中烘干30min，制备出玻璃纤维滤纸，然后将制得的玻璃纤维滤纸经过打折机的打折处理，最终制得具有可见光光催化效果的空气净化玻璃纤维滤芯。制备出的花状氧化锌基复合纳米颗粒空气净化玻璃纤维滤芯可以达到在可见光的条件下2h对大肠杆菌的灭活达100%，过滤阻力480pa,过滤效率99.999%，强度0.9kn/m。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。