CN113680138A - 一种抗静电过滤材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抗静电过滤材料及其制备方法和应用，所述抗静电过滤材料的组成成分由过滤基布、石墨烯和分散剂组成。本发明提供的抗静电材料具有永久抗静电性，堵塞系数极低，力学性能优异，并且耐高温，当应用于粉尘过滤时，可避免化工粉尘、煤粉尘等遇静电、放电所引起***的问题。
Description
技术领域
本发明属于改性材料技术领域，涉及一种抗静电过滤材料及其制备方法和应用。
背景技术
在工业含尘气体的除尘过程中，粉尘上静电不断蓄积产生高电压火花容易造成粉尘***。由于化纤具有较好的绝缘性能，其普通的纤维滤料无法及时有效地分散粉尘所产生的静电荷，致使静电荷在其纤维滤料表面不断地聚集。当静电荷积聚到一定程度，将会发生静电电击或者火花放电等现象，造成燃爆特性粉尘***等安全隐患，产生巨大的破坏性。
为了防止粉尘***，目前过滤材料普遍采用混合导电纤维作为过滤面，但导电纤维是不规则分布在滤料的过滤层里，导电的流向是随机发散的，所以静电达不到快速被传导的效果，从而无法消除静电聚结产生火花以至导致燃烧的问题。或者部分过滤材料是采用只在基布经向嵌入抗静电纱线，除了其导电性能不理想，达不到防爆除尘治理工况的条件外，基材的力学性能也会降低，滤袋容易发生破裂，使用寿命降低。
CN202638140U公开了一种抗静电聚苯硫醚纤维过滤毡，该过滤毡自表层向里层依次是混合纤维层、基布、混合纤维层。过滤毡的基布是由聚苯硫醚纤维纱和不锈钢纤维导电纱混合织造而成。过滤毡的混合纤维层是聚苯硫醚纤维和不锈钢纤维的混合纤维层，该专利申请提供的过滤毡中不锈钢导电纤维是不规则分布在滤料的过滤层和非过滤层里，导电的流向是随机发散的，因此静电不能被快速传导，从而难于解决消除静电聚结所产生火花以至导致燃烧的问题；同时基布中嵌入金属丝也会影响基布的力学强度。CN102337622A公开了一种过滤材料用抗静电基布及其生产方法，构成该基布的经纬纱线均为纤度在260-1500旦尼尔之间的高温耐热纤维，且经向每间隔2.7-3.5cm与一根纤度为260-1500旦尼尔的碳黑或石墨纤维中的至少一种与高温耐热纤维的混合抗静电纱线进行交织，织造经向密度为120-180根/10cm，纬向密度为20-80根/10cm，制得基布，该专利申请是在经向嵌入抗静电纱线形成的基布，由于只有经向嵌入少量的抗静电纱线，就会导致导电性能不理想，无法消除静电聚结产生火花以至导致燃烧的问题，达不到防爆除尘治理工况的条件。
因此，需要提供一种既可以保证过滤效果以及材料的力学性能，又具有永久的抗静电性的过滤材料以满足应用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗静电过滤材料及其制备方法和应用，本发明提供的抗静电材料具有永久抗静电性，堵塞系数极低，力学性能优异，并且耐高温，当应用于粉尘过滤等时，可避免化工粉尘、煤粉尘等遇静电、放电所引起***的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种抗静电过滤材料，所述抗静电过滤材料的组成成分由过滤基布、石墨烯和分散剂组成。
本发明提供的抗静电过滤材料包括石墨烯，具有较好的抗静电效果，同时其中包括的分散剂可以提高石墨烯附着牢固度，使本发明提供的抗静电过滤材料具有永久的抗静电性能。
同时，本发明提供的抗静电过滤材料并不包括其他添加剂，可以避免在加工过滤基布过程中，造成的过滤基布过滤性能下降的缺点，即本发明提供的抗静电过滤基布既有良好的抗静电性能，又有较低的堵塞系数。
在本发明中，所述过滤基布由基布纤维组成，所述石墨烯均匀分散在所述基布纤维表面。
本发明的石墨烯可以均匀地分散在每根纤维表面，进而使得本发明提供的抗静电过滤材料具有优异的抗静电性，力学性能良好，并且附着牢固度较高。本发明提供的抗静电材料能够实时将静电荷通过扩散的方式消除静电累积效应，最终静电荷会通过接地线或空气中的水分耗散掉，进而消除静电危害。
在本发明中，所述石墨烯的质量为所述抗静电过滤材料总质量的0.4-1％，例如0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％等。
在本发明提供的抗静电过滤材料中，若石墨烯的添加量过低，则无法达到优异的抗静电效果，若石墨烯的添加量过多，则一方面无法保证石墨烯的附着牢固度，另一方面过多的石墨烯可能会团聚堵塞过滤基布的“过滤孔”而导致过滤材料的过滤性能下降。
在本发明提供的抗静电过滤材料中，若石墨烯的添加量过低，则无法达到优异的抗静电效果，若石墨烯的添加量过高，则无法保证石墨烯的附着牢固度。本发明中石墨烯的质量为所述抗静电过滤材总质量的0.4-1％，在此区间内能保证抗静电过滤材料有较高的抗静电性能以及较高的色牢度。
优选地，所述石墨烯的尺寸为0.1-10μm，例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm等。
在本发明中，所述石墨烯的尺寸指的是石墨烯的片径大小。
本发明优选石墨烯的尺寸为0.1-10μm，若石墨烯的尺寸过小，则最后得到的过滤材料的导电性不足以满足应用要求；若石墨烯的尺寸过大，则石墨烯分散性较差。
优选地，所述石墨烯和所述分散剂的质量比为1:(0.1-1)，例如1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9等，进一步优选1:0.2。
优选地，所述分散剂包括聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、聚氧化乙烯或聚氧乙烯辛基苯酚醚中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选聚苯乙烯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮以质量比为1:1组成的组合。
本发明提供的分散剂的存在可以确保石墨烯牢固附着在过滤基布的每根纤维上，若分散剂的添加量过少，一方面可能会造成石墨烯团聚，分散不均，且容易堵塞过滤基布；另一方面也会导致石墨烯的附着牢固度较差，无法达到永久抗静电的效果；若分散剂的添加量过多，则有可能会堵塞过滤基布。
当本发明选择聚苯乙烯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮以质量比为1:1组成的组合作为本发明的分散剂时，可以在分散剂添加量较少的前提下即可以是石墨烯达到较优的分散效果。
优选地，所述过滤基布选自机织布、针织布、无纺布或无纺毡。
优选地，所述过滤基布的材料选自涤纶、锦纶、腈纶、氨纶、维纶、聚苯硫醚、芳纶、碳纤维、聚酰亚胺、棉、麻、毛、黏胶纤维、莫代尔纤维、铜氨纤维或醋纤中的任意一种或至少两种的组合。
第二方面，本发明提供了一种根据第一方面所述的抗静电过滤材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
利用石墨烯分散液对过滤基布进行处理、干燥，得到所述抗静电过滤材料；
其中，所述石墨烯分散液的由石墨烯、分散剂和溶剂组成。
本申请提供的制备方法将过滤基布直接与石墨烯分散液进行接触，石墨烯在分散剂的存在前提下附着在过滤基布的每根纤维上，能够确保构成滤布的每根纤维均具有良好的抗静电性能，进而保证最后得到的过滤材料具有优异的抗静电性能；同时，石墨烯在纤维表面成膜，可以进一步增强过滤基布的力学性能，并且本申请提供的石墨烯分散液在处理过滤基布的过程中，并不会堵塞过滤基布的“过滤孔”，不会降低过滤材料的过滤效果，甚至会在一定程度上增加过滤基布的过滤效果。
优选地，所述石墨烯分散液的制备方法包括如下步骤：
将石墨烯、分散剂和溶剂混合分散，并过滤，得到所述石墨烯分散液。
在制备石墨烯分散液时，本发明提供的分散剂可以紧紧的包裹着原本不亲水的石墨烯，相当于对石墨烯表面进行了亲水改性，这些附着在石墨烯表面的分散剂上的活性基团可以与基布上的羟基形成氢键，经干燥，氢键变成共价键，进而使石墨烯牢固结合在纤维表面，因此，本发明提供的制备方法可以得到石墨烯附着牢固度较高的抗静电过滤材料，实现永久抗静电。
优选地，在所述石墨烯分散液中，所述石墨烯和分散剂的质量比为1:(0.1-1)，例如1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9等，进一步优选1:0.2。
本发明提供的分散剂一方面可以使石墨烯在溶剂中分散均匀，方便后续的加工，另一方面起到了将石墨烯“固定”在过滤基布纤维表面的作用，其分散剂的添加量不能过低，过低可能导致石墨烯的团聚进而在后续对基布进行处理时堵塞基布，降低基布的过滤效果，同时也会降低石墨烯的附着牢固度；分散剂的添加量也不能过高，过高在后续加工过程中容易在过滤基布表面形成膜层，同样会导致过滤材料的过滤性能下降；同时，本发明提供的特定的分散剂也不会造成过滤基布的堵塞。
优选地，在所述石墨烯分散液中，所述石墨烯的浓度为0.1-10wt％，例如0.5wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％等。
优选地，所述溶剂为水。
优选地，所述分散剂包括聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、聚氧化乙烯或聚氧乙烯辛基苯酚醚中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选聚苯乙烯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮以质量比为1:1组成的组合。
优选地，所述混合分散采用搅拌分散的方式，所述搅拌的温度为60-95℃，例如65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃等，时间为1-5h，例如1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h等，搅拌速率为800-1000r/min，例如850r/min、900r/min、950r/min等。
在本发明中，石墨烯的分散液的制备方法为搅拌分散法，本发明通过控制搅拌速率以及分散液体系的温度，可以确保最后得到的石墨烯分散液中石墨烯均匀分散；避免了采用超声分散时，若超声时间过长或者超声探头发烫温度高反而会导致石墨烯分散液中石墨烯的团聚。
优选地，所述处理的方法包括浸渍、浸轧、喷涂或者印花处理中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述处理的方法为浸轧，所述浸轧的带液率为70-200％，例如80％、100％、120％、140％、160％、180％等，车速为20-50m/min，例如25m/min、30m/min、35m/min、40m/min、45m/min等，所述干燥的温度为120-170℃，例如130℃、140℃、150℃、160℃等。
优选地，所述处理的方式为浸渍，所述抗静电过滤材料的制备方法包括：将石墨烯分散液和过滤基布置于溢流缸中，浴比为1:(10-50)，例如1:20、1:30、1:40等，以1-2℃/min(例如1.2℃/min、1.4℃/min、1.5℃/min、1.7℃/min、1.8℃/min等)升温至65-70℃(例如66℃、67℃、68℃、69℃等)并继续浸渍3h然后定型，得到所述抗静电过滤材料。
第三方面，本发明提供了一种根据第一方面所述的抗静电过滤材料在工业含尘气体除尘中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的抗静电过滤材料包括石墨烯，具有较好的抗静电效果，同时其中包括的分散剂可以提高石墨烯附着牢固度，使本发明提供的抗静电过滤材料具有永久的抗静电性能，且不包括其他添加剂，可以避免在加工过滤基布过程中，造成的过滤基布过滤性能下降的缺点，即本发明提供的抗静电过滤基布既有良好的抗静电性能，又有较低的堵塞系数；
(2)本申请提供的制备方法将过滤基布直接与石墨烯分散液进行接触，石墨烯在分散剂的存在前提下附着在过滤基布的每根纤维上，能够确保构成滤布的每根纤维均具有良好的抗静电性能，进而保证最后得到的过滤材料具有优异的抗静电性能；同时，石墨烯在纤维表面成膜，可以进一步增强过滤基布的力学性能，并且本申请提供的石墨烯分散液在处理过滤基布的过程中，并不会堵塞过滤基布的“过滤孔”，不会降低过滤材料的过滤效果，甚至会在一定程度上增加过滤基布的过滤效果；
(3)本发明提供的抗静电过滤基布具有永久的抗静电性、优异的力学性能，经石墨烯整理后的基布，石墨烯不会堵塞纱线之间的孔隙，不会导致空气阻力过大；其中，经石墨烯改性的基材表面电阻能达到103Ω；经石墨烯改性的基材与未经石墨烯改性的基材的拉伸强力与断裂伸长率几乎不变；经石墨烯改性的基材与未经石墨烯改性的基材的空气阻力几乎不变。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种抗静电过滤布，制备方法如下：
(1)将石墨烯、分散剂和去离子水在80℃下以1000r/min的搅拌速率分散3h，然后过200目滤网过滤，取滤液得到石墨烯分散液；
其中，石墨烯的尺寸为0.2μm，分散剂为聚苯乙烯磺酸钠，石墨烯和分散剂的质量比为1:0.5，石墨烯在分散液中的浓度为1wt％；
(2)将石墨烯分散液置于轧车的液槽中，过滤基布一浸一轧，控制带液率为100％，车速30m/min，然后在150℃下定型，得到抗静电过滤布；
其中，过滤基布为涤纶机织布，购自人众纺织。
实施例2-5
与实施例1的区别在于，控制带液率为40％(实施例2)、80％(实施例3)、10％(实施例4)、150％(实施例5)。
实施例6-9
与实施例1的区别在于，在本实施例中，石墨烯的尺寸为0.1μm(实施例6)、10μm(实施例7)、50nm(实施例8)、20μm(实施例9)。
实施例10-12
与实施例1的区别在于，在本实施例中，分散剂为聚氧乙烯辛基苯酚醚(实施例10)、十二烷基磺酸钠(实施例11)、聚苯乙烯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮以质量比为1:1组成的组合(实施例12)。
实施例13-17
与实施例1的区别在于，在本实施例中，石墨烯和分散剂的质量比为1:0.2(实施例13)、1:0.1(实施例14)、1:1(实施例15)、1:0.05(实施例16)、1:2(实施例17)。
实施例18
一种抗静电过滤布，制备方法如下：
(1)将石墨烯、分散剂和去离子水在60℃下以800r/min的搅拌速率分散5h，然后过200目滤网过滤，取滤液得到石墨烯分散液；
其中，石墨烯的尺寸为0.8μm，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，石墨烯和分散剂的质量比为1:0.8，石墨烯在分散液中的浓度为5wt％；
(2)将石墨烯分散液和过滤基布置于溢流缸中，浴比为1:40，以1℃/min升温至65℃并继续浸渍3h然后定型(温度为150℃，车速为30m/min)，得到所述抗静电过滤材料；
其中，过滤基布为涤纶机织布，购自人众纺织。
对比例1
本对比例提供的过滤材料为实施例1中的过滤基布。
对比例2
本对比例提供的过滤材料为实施例18中的过滤基布。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，将石墨烯替换为尺寸为0.2μm的炭黑。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，将石墨烯替换为长度为0.2μm的碳纳米管。
对比例5
与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，在步骤(1)中不添加分散剂。
对比例6
与实施例1的区别在于，在本对比例中，石墨烯分散液的制备方法如下：
将石墨烯、分散剂和去离子水用超声波分散机超声3h，得到石墨烯分散液。
性能测试
对实施例1-18和对比例1-6提供的过滤布进行性能测试，方法如下：
(1)抗静电性：参照标准：GB/T22042-2008，测试表面电阻(单位：Ω)；
具体方法：将未经石墨烯处理的基布与经石墨烯处理的基布放入恒温恒湿箱中平衡24h，温度：(23±1)℃，湿度：(25±5)％；用GM3110表面电阻测试仪测试表面电阻。
(2)拉伸强度：参照标准GB/T3923.1-2013，测试断裂强力和断裂伸长率；
具体方法：每个样品各剪取两组试样，一组为经向或纵向试样，一组为纬向或横向试样。每组试样至少应包括5块试样，每块试样有效宽度为50mm(不包括毛边)，其长度应满足隔距长度200mm，将试样至于25℃，50RH％的恒温恒湿箱中平衡24h，用万能试验机测试断裂强力和断裂伸长率，并计算平均值；
(3)空气阻力：参照标准GB/T32610-2016，测试空气阻力及过滤效率，其中，风量为85L/min；
(4)抗静电持久性：测试将样品放置或者使用一段时间后的抗静电性，抗静电性的测试方法见(1)。
测试结果见表1、表2和表3：
表1
表2
表3
在本发明的实施例2-5中，通过改变带液率来改变石墨烯在抗静电过滤材料中的质量，实施例1-5中的石墨烯的质量分别为抗静电过滤材料总质量的1％、0.4％、0.8％、0.1％、1.5％。
由实施例和性能测试可知，本发明提供的抗静电过滤材料具有较优的抗静电性能，且其在放置过程中其导电性不会随着时间的推移而降低，而随着使用时间的推移，其导电性变化也较小，足以满足应用要求；同时本发明提供的抗静电材料在制备过程中，并没有降低过滤基布的力学性能，即本发明提供的制备方法不会对基材的力学性能产生不良影响；并且，本发明提供的抗静电材料并不会影响基布的过滤效率，甚至会提高基布的过滤效率。其中，本发明提供的抗静电过滤材料的电阻在106Ω以下，过滤效率在67％以上，空气阻力在102Pa以下；在本发明的优选技术方案中，抗静电过滤材料的电阻在104Ω以下，过滤效率在70％以上，空气阻力在97Pa以下。
由实施例1和实施例2-5的对比可知，本发明提供的抗静电过滤材料中石墨烯的添加量为抗静电过滤材料总质量的0.4-1％时，最后得到的抗静电过滤材料具有较好的综合性能；由实施例1和实施例6-9的对比可知，本发明提供的抗静电过滤材料中石墨烯的尺寸为0.1-10μm时，效果较好；由实施例1和实施例10-12的对比可知，本发明优选分散剂为聚苯乙烯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮以质量比为1:1组成的组合；由实施例1和实施例13-17的对比可知，本发明中石墨烯和分散剂的质量比为1:0.2时，效果较佳。
由实施例1、18和对比例1-2的对比可知，本发明对于过滤基布的改性中，不会影响过滤基布的过滤效果，然而甚至可能会增加基布的过滤效果；由实施例1和对比例3-4的对比可知，只有选择本发明提供的石墨烯才可以既不影响过滤材料的过滤效果，又可以增加过滤材料的抗静电性；由实施例1和对比例5的对比可知，在不添加分散剂的情况下，最后得到的抗静电过滤材料的抗静电性下降且抗静电持久性下降。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的抗静电过滤材料及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种抗静电过滤材料，其特征在于，所述抗静电过滤材料的组成成分由过滤基布、石墨烯和分散剂组成。
2.根据权利要求1所述的抗静电过滤材料，其特征在于，所述过滤基布由基布纤维组成，所述石墨烯均匀分散在所述基布纤维表面。
3.根据权利要求1或2所述的抗静电过滤材料，其特征在于，所述石墨烯的质量为所述抗静电过滤材料总质量的0.4-1％；
优选地，所述石墨烯的尺寸为0.1-10μm。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的抗静电过滤材料，其特征在于，所述石墨烯和所述分散剂的质量比为1:(0.1-1)，进一步优选1:0.2；
优选地，所述分散剂包括聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、聚氧化乙烯或聚氧乙烯辛基苯酚醚中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选聚苯乙烯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮以质量比为1:1组成的组合。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的抗静电过滤材料，其特征在于，所述过滤基布选自机织布、针织布、无纺布或无纺毡；
优选地，所述基布纤维选自涤纶纤维、锦纶纤维、腈纶纤维、氨纶纤维、维纶纤维、聚苯硫醚纤维、芳纶纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维、棉纤维、麻纤维、毛纤维、黏胶纤维、莫代尔纤维、铜氨纤维或醋纤中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的抗静电过滤材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
利用石墨烯分散液对过滤基布进行处理、干燥，得到所述抗静电过滤材料；
其中，所述石墨烯分散液的由石墨烯、分散剂和溶剂组成。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯分散液的制备方法包括如下步骤：
将石墨烯、分散剂和溶剂混合分散，并过滤，得到所述石墨烯分散液。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯分散液中，所述石墨烯和分散剂的质量比为1:(0.1-1)，进一步优选1:0.2；
优选地，在所述石墨烯分散液中，所述石墨烯的浓度为0.1-10wt％；
优选地，所述溶剂为水；
优选地，所述分散剂包括聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、聚氧化乙烯或聚氧乙烯辛基苯酚醚中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选聚苯乙烯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮以质量比为1:1组成的组合；
优选地，所述混合分散采用搅拌分散的方式，所述搅拌的温度为60-95℃，时间为1-5h，搅拌速率为800-1000r/min。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的制备方法，其特征在于，所述处理的方法包括浸渍、浸轧、喷涂或者印花处理中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述浸轧的带液率为70-200％，车速为20-50m/min，所述干燥的温度为120-170℃；
优选地，所述处理的方式为浸渍，所述抗静电过滤材料的制备方法包括：将石墨烯分散液和过滤基布置于溢流缸中，浴比为1:(10-50)，以1-2℃/min升温至65-70℃并继续浸渍3h然后定型，得到所述抗静电过滤材料。
10.根据权利要求1-5中的任一项所述的抗静电过滤材料在工业含尘气体除尘中的应用。
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