CN112426979B - 废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的制备方法，属于材料技术领域。本发明的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法包括：a.将废旧纺织品进行清洗、漂白、粉碎处理得到纺织品粉末，纺织品粉末大小在0.2～1mm；b.将所述纺织品粉末与金属纳米粒子前体溶液混合得混合液，用搅拌、超声、微波中的至少一种处理混合液，增强金属离子附着，除水干燥得废纺纤维气凝胶；c.将废纺纤维气凝胶煅烧得金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶。生产效率高、工艺简便、重复性好、易于批量生产的特点，且解决了废旧纺织品造成的污染问题。

Description

废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的制备方法，属于材料技术领域。
背景技术
生活水平的全面提高导致对纺织品生产和消费的需求增加，带来大量的工业纤维废物和更新速度极快的废旧衣物，产生的大量纺织品废料且其并没有合适的处理。废旧纺织品的回收再利用，可以成为一个可持续解决方案，减少垃圾填埋场的固体废料，减少原始材料的生产和能源消耗，并产生更小的环境污染，节约资源，降低成本。
目前对于废旧纺织品的处理主要有机械法、热能法、化学法以及这三种方法的混合。机械法回收过程中不会根据价值进行分类，导致附加值不高；热能法是将废旧纺织品通过燃烧的方式将其转换成热量，用于火力发电，但是其焚化效率低，并且会产生灰分和有毒气体，危害人体及环境。化学法是近来新兴的方法，可实现高聚物与单体的循环，且可以创造出高附加值的产品。纤维素纤维是最重要的纺织原料之一，在废旧纺织品中占有极大的份额，研究废旧纤维素织物高附加值利用方面具有巨大的价值潜力。
现有技术中用纤维制备气凝胶时，要用碱处理，例如公开号为CN108212089A、CN110983492A的专利申请都用氢氧化钠处理纤维，使用废旧纺织品纤维的CN111205506A也利用碱/尿素溶解体系制备气凝胶，此外还需要经过交联剂交联，一般而言这些交联剂有毒性，另外利用这种方法制备的气凝胶需要耗费大量时间，增加成本。
而且采用CN111205506A处理废旧纺织品的方法，将废旧纺织物利用碱/尿素溶解体系制备纤维素气凝胶，耐热性差，不能忍受600～1300℃的高温煅烧，仅300℃碳化处理后，气凝胶体积收缩极其严重、柔性很差且不导电，基本不具备电磁屏蔽性能以及电加热性能。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种新的回收利用废旧纺织品的方法。
为达到本发明的第一个目的，所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法包括：
a.将废旧纺织品进行清洗、漂白、粉碎处理得到纺织品粉末，纺织品粉末大小在0.2～1mm；
b.将所述纺织品粉末与金属纳米粒子前体溶液混合得混合液，用搅拌、超声、微波中的至少一种处理混合液，增强金属离子附着，除水干燥得废纺纤维气凝胶；所述金属纳米粒子前体溶液的浓度优选为0.1～1g/L；
c.将废纺纤维气凝胶煅烧得金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶。
a步骤纺织品粉末超过1mm，会出现气凝胶厚薄不匀以及金属纳米粒子附着不匀的情况；颗粒小于0.2mm，气凝胶柔性差、脆性大。
在一种具体实施方式中，a步骤所述清洗为将废旧纺织品在有机溶剂中超声处理，去除杂质，干燥即可；所述有机溶剂优选为丙酮、乙醇中的至少一种，更优选丙酮和乙醇的体积比为1～3:1；
a步骤所述超声处理的时间为20～35min。
在一种具体实施方式中，b步骤所述除水干燥为：抽滤成型，用乙醇或二甲基甲酰胺中的至少一种冲洗置换水，干燥。
在一种具体实施方式中，b步骤所述干燥为冷冻干燥、超临界干燥、烘干中的至少一种；例如可以为烘箱烘干，烘干温度为50～80℃，烘干时间4～6h。
在一种具体实施方式中，b步骤所述处理混合液的时间为1～2h。
在一种具体实施方式中，c步骤所述煅烧的温度为600～1300℃；优选所述煅烧为：在N2或Ar气氛围，加热速率2～5℃/min的将温度升到600～1300℃并保持2～3h。
在一种具体实施方式中，所述金属为银、铜、镍、铁、钴、钾、镍钴合金、铁钴合金中的至少一种；
优选所述的金属纳米粒子前体溶液为硝酸银、硝酸钴、硝酸铁、硝酸镍、硝酸铜、氢氧化钾、钴酸镍、铁酸钴的至少一种。
在一种具体实施方式中，所述漂白采用的漂白剂为亚氯酸钠、次氯酸钠或者过氧化氢的至少一种；优选所用漂白体系为亚氯酸钠；更优选所述漂白的方法包括：将废旧纺织品浸泡在3～12wt％的亚氯酸钠溶液中，用冰乙酸调节pH＝4～4.5，在70～80℃处理4～16h；优选所述亚氯酸钠用量与废旧纺织品的质量比为3～6:1。
在一种具体实施方式中，所述废旧纺织品为天然纤维素纤维、纤维素纤维、合成纤维混纺纺织面料中的至少一种；优选所述废旧纺织品为棉、麻、竹、涤棉混纺、涤麻或涤竹中的至少一种。
本发明要达到的第二个目的是提供一种废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶。
为达到本发明的第二个目的，所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶采用上述的方法制备得到；
优选所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的密度为28～100mg/cm3；
更优选所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的电磁屏蔽值为20～50dB。
有益效果：
本发明以废旧纤维素织物为原料制备的碳纤维气凝胶，可有效避免了溶解/再生法制备纤维素气凝胶过程中大量使用和环境问题，具有机械性能高、化学稳定性好、导电性优良、价格低廉、容易获取、对人体无害等优点。金属纳米粒子的引入可以增强与电磁波的相互作用，有效地衰减电磁波，目前尚未见到废旧纺织品与金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的制备报道。本发明创造性地探索了从废旧纺织品制备成性能良好的复合碳纤维气凝胶的整个工艺流程具有如下优势：
1)本发明从废旧纺织品制备金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶，具有生产效率高、工艺简便、重复性好、易于批量生产的特点，且解决了废旧纺织品造成的污染问题。
2)本发明制备的金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶，轻质且具有较高导电性，方块电阻缩小为纯碳纤维气凝胶的4～15倍。
3)本发明制备的金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的电磁屏蔽总效能为20～50dB，已经达到了商业甚至军用标准，可广泛应用于商业、高端信息技术和国防安全技术等高值化领域。
4)本发明不需要用碱处理废旧纤维，也不需要交联剂，成本低。
附图说明
图1是本发明实例2中废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的制备方法流程图。
图2是本发明实例2中废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的实物示意图。
图3是本发明实例2中废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的扫描电镜图。
图4是本发明实例2中废旧纺织品金属纳米粒子复合气凝胶的电磁屏蔽性能图。
具体实施方式
为达到本发明的第一个目的，所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法包括：
a.将废旧纺织品进行清洗、漂白、粉碎处理得到纺织品粉末，纺织品粉末大小在0.2～1mm；
b.将所述纺织品粉末与金属纳米粒子前体溶液混合得混合液，用搅拌、超声、微波中的至少一种处理混合液，增强金属离子附着，除水干燥得废纺纤维气凝胶；所述金属纳米粒子前体溶液的浓度优选为0.1～1g/L；
c.将废纺纤维气凝胶煅烧得金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶。
a步骤所述的粉碎可采用常规的粉碎机器，例如家用打碎机或研磨仪。
在一种具体实施方式中，a步骤所述清洗为将废旧纺织品在有机溶剂中超声处理，去除杂质，干燥即可；所述有机溶剂优选为丙酮、乙醇中的至少一种，更优选丙酮和乙醇的体积比为1～3:1；
a步骤所述超声处理的时间为20～35min。
在一种具体实施方式中，b步骤所述除水干燥为：抽滤成型，用乙醇冲洗置换水，干燥。
在一种具体实施方式中，b步骤所述干燥为冷冻干燥、超临界干燥、烘箱烘干中的至少一种；例如可以为烘箱烘干，烘干温度为50～80℃，烘干时间4～6h。
在一种具体实施方式中，b步骤所述处理混合液的时间为1～2h。
在一种具体实施方式中，c步骤所述煅烧的温度为600～1300℃；优选所述煅烧为：在N2或Ar气氛围，加热速率2～5℃/min的将温度升到600～1300℃并保持2～3h。
在一种具体实施方式中，所述金属为银、铜、镍、铁、钴、钾、镍钴合金、铁钴合金中的至少一种；
优选所述的金属纳米粒子前体溶液为硝酸银、硝酸钴、硝酸铁、硝酸镍、硝酸铜、氢氧化钾、钴酸镍、铁酸钴的至少一种。
在一种具体实施方式中，所述漂白采用的漂白剂为亚氯酸钠、次氯酸钠或者过氧化氢的至少一种；优选所用漂白体系为亚氯酸钠；更优选所述漂白的方法包括：将废旧纺织品浸泡在3～12wt％的亚氯酸钠溶液中，用冰乙酸调节pH＝4～4.5，在70～80℃处理4～16h；优选所述亚氯酸钠用量与废旧纺织品的质量比为3～6:1。
在一种具体实施方式中，所述废旧纺织品为天然纤维素纤维、纤维素纤维、合成纤维混纺纺织面料中的至少一种；优选所述废旧纺织品为棉、麻、竹、涤棉混纺、涤麻或涤竹中的至少一种。
为达到本发明的第二个目的，所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶采用上述的方法制备得到；
优选所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的密度为28～100mg/cm3；
更优选所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的电磁屏蔽值为20～50dB。
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施例范围之中。
实施例1
将尺寸为5cm×5cm废旧棉布分别用丙酮和乙醇超声波清洗20min，烘干。配置亚氯酸钠溶液6wt％，将剪碎的废旧棉小块完全浸泡在亚氯酸钠溶液中，滴加冰乙酸，调节pH＝4.5，密闭容器，在80℃温水浴中处理12h。亚氯酸钠用量与废纺质量比为5：1，清洗，烘干，打碎，待用。乙酸钴与乙酸镍以1:1摩尔比加入到去离子水中，搅拌120min，超声120min，溶液置于反应釜中160℃，24h，抽滤，烘干，得到钴酸镍粉末。称取1g棉粉末，加入到50ml的去离子水中，向水中加入40mg钴酸镍粉末，在磁力搅拌器上机械搅拌2h，将悬浮液倒入60ml的布氏漏斗中，真空过滤成型，并用乙醇置换水，置于60℃烘箱中干燥成纤维气凝胶。所得样品置于移至马弗炉中碳化，在N2气氛围内，升温速率2℃/min，碳化温度为1000℃，碳化时间2h，得到镍钴合金复合碳纤维气凝胶。
实施例1得到的金属复合碳纤维气凝胶性能：
电磁屏蔽平均总效能33.88dB
金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的密度为86mg/cm3
导电性3.4Ω/sq
气凝胶在4V电压下温度为43.6℃。
实施例2
将尺寸为5cm×5cm废旧麻布分别用丙酮和乙醇超声波清洗40min，烘干。配置次氯酸钠溶液2g/L，将剪碎的废旧麻小块完全浸泡在次氯酸钠溶液中，堆置2h。次氯酸钠用量与废纺质量比为1：5，清洗，烘干，打碎，待用。称取1g麻，加入到50ml的去离子水中，加入50mg硝酸镍，放置家用微波炉中2h，将悬浮液倒入60ml的布氏漏斗中，用乙醇置换水，真空过滤成型，置于超临界二氧化碳中，均匀放气8h干燥成纤维气凝胶，超临界二氧化碳状态为60℃，10MPa。所得样品移至马弗炉中碳化，在Ar气氛围，升温速率4℃/min，碳化温度为800℃，碳化时间2h，得到镍纳米粒子复合碳纤维气凝胶。
实施例2得到的金属复合碳纤维气凝胶性能：
电磁屏蔽平均总效能41.28dB
金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的密度为94mg/cm3
导电性1.77Ω/sq
气凝胶在3V电压下温度稳定在56.4℃。
本具体实施方式制备过程简单，化学稳定性好，而且得到的气凝胶兼备多种性能，可用作导电和电磁屏蔽材料，具有广阔的应用前景。

Claims (16)

1.废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述方法包括：
a.将废旧纺织品进行清洗、漂白、粉碎处理得到纺织品粉末，纺织品粉末大小在0.2～1mm；
b.将所述纺织品粉末与金属纳米粒子前体溶液混合得混合液，用搅拌、超声、微波中的至少一种处理混合液，增强金属离子附着，除水干燥得废纺纤维气凝胶；所述金属纳米粒子前体溶液的浓度为0.1～1g/L；
c.将废纺纤维气凝胶煅烧得金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶；
b步骤所述处理混合液的时间为1～2h。
2.根据权利要求1所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，a步骤所述清洗为将废旧纺织品在有机溶剂中超声处理，去除杂质，干燥即可；
a步骤所述超声处理的时间为20～35min。
3.根据权利要求2所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮、乙醇中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮和乙醇的体积比为1～3:1。
5.根据权利要求1所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，b步骤所述除水干燥为：抽滤成型，用乙醇或者二甲基甲酰胺中的至少一种冲洗置换水，干燥。
6.根据权利要求1～3任一项所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，b步骤所述干燥为冷冻干燥、超临界干燥、烘箱烘干中的至少一种。
7.根据权利要求1～3任一项所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，c步骤所述煅烧的温度为600～1300℃。
8.根据权利要求7所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，c步骤所述煅烧为：在N2或Ar气氛围，加热速率2～5℃/min的将温度升到600～1300℃并保持2～3h。
9.根据权利要求1～3任一项所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述金属为银、铜、镍、铁、钴、钾、镍钴合金、铁钴合金中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述的金属纳米粒子前体溶液为硝酸银、硝酸钴、硝酸铁、硝酸镍、硝酸铜、氢氧化钾、钴酸镍、铁酸钴的至少一种。
11.根据权利要求1～3任一项所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述漂白采用的漂白剂为亚氯酸钠、次氯酸钠或者过氧化氢的至少一种。
12.根据权利要求11所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述漂白的方法包括：将废旧纺织品浸泡在3～12wt％的亚氯酸钠溶液中，用冰乙酸调节pH＝4～4.5，在70～80℃处理4～16h。
13.根据权利要求12所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述亚氯酸钠用量与废旧纺织品的质量比为3～6:1。
14.根据权利要求1～3任一项所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述废旧纺织品为天然纤维素纤维、纤维素纤维、合成纤维混纺纺织面料中的至少一种。
15.根据权利要求14所述的废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶制备方法，其特征在于，所述废旧纺织品为棉、麻、竹、涤棉混纺、涤麻或涤竹中的至少一种。
16.废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶，其特征在于，所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶采用权利要求1～15任一项所述的方法制备得到；
所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的密度为28～100mg/cm3；
所述废旧纺织品金属纳米粒子复合碳纤维气凝胶的电磁屏蔽值为20～50dB。
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