一種復(fù)合纖維、及其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能性纖維制備領(lǐng)域，具體涉及一種具有吸附功能的復(fù)合纖維、及其制備方法和用途，特別涉及一種包覆有石墨烯氣凝膠的復(fù)合纖維、及其制備方法和用途。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由單層sP2雜化碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，具有許多優(yōu)異的性能。自從2004年被發(fā)現(xiàn)起，石墨烯就成為了科學(xué)界的一大研究熱點(diǎn)。石墨烯的理論比表面積高達(dá)2600m2/g，具有良好的導(dǎo)熱性和力學(xué)性能。氣凝膠，是一種超低密度、大孔體積、高比表面積的納米多孔固態(tài)材料，這些特征都?xì)w因其納米顆粒相連所構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。石墨烯氣凝膠繼承了石墨烯和氣凝膠高比表面積、高孔隙率、高導(dǎo)電率以及良好的熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]CN104815630A發(fā)明了一種選擇性吸附苯并芘和苯酚的濾嘴纖維的制備方法，其是將氧化石墨烯噴涂到纖維表面。該方法指示將氧化石墨烯簡(jiǎn)單修飾到纖維表面，無(wú)法避免氧化石墨烯的自身團(tuán)聚作用，因此無(wú)法完全體現(xiàn)石墨烯的高吸附特性。
[0004]CN102674315A公開(kāi)了一種石墨烯-碳納米管復(fù)合全碳超輕彈性氣凝膠及其制備方法，所述石墨烯-碳納米管復(fù)合全碳超輕彈性氣凝膠屬于自支撐的氣凝膠，具有機(jī)械強(qiáng)度低的問(wèn)題。
[0005]所謂“自支撐的氣凝膠”是指在氣凝膠內(nèi)部沒(méi)有其他成分來(lái)支撐氣凝膠，僅靠氣凝膠自身的框架來(lái)起到支撐作用。而對(duì)于自支撐的石墨烯氣凝膠，其很容易塌陷，影響使用。
[0006]CN105130380A公開(kāi)了一種石墨烯-氧化鋯纖維復(fù)合氣凝膠的制備方法，該石墨烯-氧化鋯纖維復(fù)合氣凝膠是石墨烯與纖維形成復(fù)合體，在石墨烯氣凝膠宏觀體中，分布較多的纖維作為骨架，而并非是單根纖維表面形成表面形成氣凝膠。屬于較大體積的石墨烯氣凝膠。
[0007]當(dāng)石墨烯氣凝膠用于吸附領(lǐng)域時(shí)，對(duì)于較大體積的石墨烯氣凝膠而言，當(dāng)待吸附物質(zhì)被石墨烯氣凝膠吸附一段時(shí)間后，表面的納米孔被待吸附物質(zhì)填滿，形成障礙層，出現(xiàn)自身表面屏蔽作用，而待吸附物無(wú)法進(jìn)一步到達(dá)石墨烯氣凝膠的內(nèi)部，造成吸附速率低，石墨烯氣凝膠單位體積的吸附能力有限，石墨烯氣凝膠的利用率低的問(wèn)題。
[0008]稠環(huán)芳經(jīng)(PAHs，polycyclic aromatic hydrocarbon)是指具有兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)的一類(lèi)有機(jī)化合物。稠環(huán)芳烴是分子中含有兩個(gè)以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔铮ㄝ?、蒽、菲、芘?50余種化合物。有些多環(huán)芳烴還含有氮、硫和環(huán)戊烷，常見(jiàn)的多環(huán)芳烴具有致癌作用的多環(huán)芳烴多為四到六環(huán)的稠環(huán)化合物。國(guó)際癌研究中心(IARC)(1976年)列出的94種對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物致癌的化合物中15種屬于多環(huán)芳烴，由于苯并a芘是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的環(huán)境化學(xué)致癌物，而且致癌性很強(qiáng)，故常以苯并(α)芘作為多環(huán)芳的代表，它占全部致癌性多環(huán)芳烴1%
?20% ο
[0009]苯并芘又稱(chēng)苯并(α)芘(BaP)，是一種常見(jiàn)的高活性間接致癌物和突變?cè)?，4_苯并芘釋放到大氣中以后，總是和大氣中各種類(lèi)型微粒所形成的氣溶膠結(jié)合在一起，在8μπι以下的可吸入塵粒中，吸入肺部的比率較高，經(jīng)呼吸道吸入肺部，進(jìn)入肺泡甚至血液，導(dǎo)致肺癌和心血管疾病，是多環(huán)芳烴中毒性最大的一種強(qiáng)烈致癌物，空氣中的BaP是導(dǎo)致肺癌的最重要的因素之一。
[0010]吸煙過(guò)程即是一個(gè)最為常見(jiàn)的人體直接接觸苯并芘吸附顆粒的過(guò)程。此外，食用油在加工和油炸食品烹調(diào)過(guò)程中溫度過(guò)高也會(huì)產(chǎn)生該類(lèi)致癌物質(zhì)。而該類(lèi)場(chǎng)合如果使用基于多孔吸附原理制備的吸附劑，一方面確保吸附高效性，另一方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的選擇性吸附，進(jìn)而不能滿足特定場(chǎng)合的使用要求。因此，開(kāi)發(fā)一種具有PAHs類(lèi)物質(zhì)特異性吸附功能的材料尤為必要。
[0011]石墨烯是一種由碳原子通過(guò)sP2雜化軌道成鍵而成，具有六邊形蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的二維原子晶體材料，其獨(dú)特而完美的結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的吸附及催化降解特性。石墨烯和以苯并芘為代表的PAHs類(lèi)物質(zhì)具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，最新的研究表明，石墨烯與碳納米管一樣具有清除自由基的功能，這歸因于此類(lèi)納米碳材料分子中存在很大的η共軛結(jié)構(gòu)，同時(shí)該共軛結(jié)構(gòu)決定了石墨烯與多環(huán)芳烴類(lèi)物質(zhì)如苯并芘具有很強(qiáng)的J1-Ji鍵相互作用，這就為石墨烯作為PAHs類(lèi)物質(zhì)如苯并芘特異性吸附材料提供了理論基礎(chǔ)。
[0012]因此，本領(lǐng)域需要開(kāi)發(fā)一種單位體積的吸附能力較高的石墨烯氣凝膠產(chǎn)品，其吸附速率高，石墨烯氣凝膠的利用率高，且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不會(huì)塌陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，石墨烯氣凝膠自身表面屏蔽作用導(dǎo)致的吸附速率低，單位體積的吸附能力有限，以及石墨烯氣凝膠容易塌陷的缺陷，本發(fā)明目的之一是提供了一種復(fù)合纖維，所述復(fù)合纖維包括纖維載體，及包覆在所述纖維載體表面的石墨烯氣凝膠層。
[0014]本發(fā)明所述“表面”還可以理解為外側(cè)、外層、外表面等。
[0015]本發(fā)明通過(guò)在纖維表面沉積石墨烯氣凝膠得到復(fù)合纖維，保留了石墨烯氣凝膠大比表面積的特性，又通過(guò)纖維骨架賦予了氣凝膠吸附層較高的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了氣凝膠產(chǎn)品的重復(fù)利用；此外，在纖維上沉積的石墨烯氣凝膠受限于纖維直徑，不可能達(dá)到特別高的厚度，為薄層石墨烯氣凝膠，這種薄層石墨烯氣凝膠可以減弱現(xiàn)有技術(shù)中自支撐氣凝膠產(chǎn)品的自身表面屏蔽作用，減少傳質(zhì)過(guò)程，大大提高傳質(zhì)速率。
[0016]本發(fā)明所述“纖維載體”為本領(lǐng)域能夠獲知的任何一種常規(guī)纖維，其是石墨烯氣凝膠的支撐骨架，同時(shí)起到限制石墨烯氣凝膠厚度的作用，所述“纖維載體”也可以稱(chēng)為純纖維絲、純纖維、未復(fù)合纖維或纖維本體等。
[0017]本發(fā)明所述“石墨烯氣凝膠”還可稱(chēng)為三維石墨烯、石墨烯海綿、石墨烯宏觀體或石墨烯泡沫。
[0018]優(yōu)選地，所述復(fù)合纖維還包括設(shè)置于纖維載體與石墨烯氣凝膠層之間的石墨烯層。
[0019]優(yōu)選地，所述石墨烯氣凝膠層和石墨烯層的石墨烯為生物質(zhì)石墨烯。
[0020]層數(shù)多于10層，厚度在10nm以內(nèi)碳的六元環(huán)蜂窩狀片層結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為石墨稀納米片層；以生物質(zhì)為碳源制備的層數(shù)多于10層，厚度在10nm以內(nèi)碳的六元環(huán)蜂窩狀片層結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為生物質(zhì)石墨烯納米片層;層數(shù)為I?10層碳的六元環(huán)蜂窩狀片層結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為石墨烯；以生物質(zhì)為碳源制備的層數(shù)為I?10層碳的六元環(huán)蜂窩狀片層結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為生物質(zhì)石墨烯。[0021 ] 本發(fā)明所述石墨稀包括石墨稀納米片層和石墨稀，進(jìn)一步包括生物質(zhì)石墨稀納米片層和生物質(zhì)石墨稀。
[0022]本發(fā)明所述的石墨烯可商購(gòu)獲得，也可以通過(guò)不同制備方法得到，例如機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉淀法，石墨氧化還原法，還可以是通過(guò)對(duì)生物質(zhì)資源水熱碳化法，以及現(xiàn)有技術(shù)中其他方法制備的石墨烯。但是，無(wú)論哪種方法都很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備得到嚴(yán)格意義理論上的石墨烯，例如現(xiàn)有技術(shù)制備得到的石墨烯中會(huì)存在某些雜質(zhì)元素、碳元素的其他同素異形體或?qū)訑?shù)非單層甚至多層的石墨烯結(jié)構(gòu)(例如3層、5層、10層、20層等)，本發(fā)明所利用的石墨烯也包括上述非嚴(yán)格意義理論上的石墨烯。
[0023]對(duì)于上述的“其它元素”:
[0024]利用石墨礦為原料制備得到的石墨烯中，可能含有石墨礦中自身存在的某些礦質(zhì)元素，例如S1、Al等。
[0025]利用生物質(zhì)作為原料制備得到的生物質(zhì)石墨烯中，由于原料來(lái)自于植物，植物自身需要從土壤中吸收礦質(zhì)元素，這些礦質(zhì)元素在制備生物質(zhì)石墨烯過(guò)程中得到了選擇性的保留，礦質(zhì)元素至少為?6、3丨^1，還可含有1(、恥、0&、1%、？、111和(:0中的一種或幾種。
[0026]優(yōu)選地，所述生物質(zhì)石墨烯由生物質(zhì)制備得到，優(yōu)選所述生物質(zhì)石墨烯由生物質(zhì)纖維素制備得到。
[0027]優(yōu)選地，所述生物質(zhì)選自農(nóng)林廢棄物和/或植物中的任意I種或至少2種的組合。
[0028]優(yōu)選地，所述植物為針葉木或闊葉木中的任意I種或至少2種的組合。
[0029]優(yōu)選地，所述農(nóng)林廢棄物選自玉米桿、玉米芯、高粱桿、甜菜渣、甘蔗渣、糠醛渣、木糖渣、木肩、棉桿、果殼或蘆葦中的任意I種或至少2種的組合。
[0030]優(yōu)選地，所述農(nóng)林廢棄物為玉米芯。
[0031]除了上述對(duì)生物質(zhì)的列舉以外，本發(fā)明所述生物質(zhì)可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠獲知的任何一種生物質(zhì)資源，本發(fā)明不再繼續(xù)贅述。
[0032]優(yōu)選地，本發(fā)明所述纖維載體選自合成纖維、人造纖維或天然纖維中的任意I種或至少2種的組合。
[0033]天然纖維是自然界原有的或經(jīng)人工培植的植物上、人工飼養(yǎng)的動(dòng)物上直接取得的紡織纖維。自然界存在的天然纖維主要有，棉花，麻類(lèi)，蠶絲和動(dòng)物毛。其中棉花和麻類(lèi)的分子成份主要是纖維素，而蠶絲和毛類(lèi)的分子成份主要是蛋白質(zhì)(呈聚酰胺高分子形式存在)。
[0034]人造纖維是用某些天然高分子化合物或其衍生物做原料，經(jīng)溶解后制成紡織溶液，然后紡制成纖維，竹子、木材、甘蔗渣、棉子絨等都是制造人造纖維的原料。根據(jù)人造纖維的形狀和用途，分為人造絲、人造棉和人造毛三種;重要品種有粘膠纖維、醋酸纖維、銅氨纖維等。
[0035]合成纖維是將人工合成的、具有適宜分子量并具有可溶(或可熔)性的