一种石墨烯基导电滤膜及其制备方法与流程

本发明属于滤膜制备
技术领域：
，特别涉及一种石墨烯基导电滤膜及其制备方法。
背景技术：
：随着工业和科学技术的不断发展，各种工业化石燃料的燃烧、交通运输过程的尾气排放、疫情疾病的传染扩散等过程，使得大气污染物的排放逐渐增多，比如各种污染性气溶胶，这些大气中的污染物严重威胁了人类的栖息环境及身体健康。目前，大气污染治理已经成为当时代的研究热点，如何对过滤、收集、检测、治理、防范也随之成为了研究重心。静电吸附沉积是气溶胶收集技术中常用的一种方式，其基本原理是利用高压电场使空气气溶胶中的粒子带电，随后带电粒子在电场力作用下被吸附收集到电极上。因此，实现静电吸附过滤膜收集技术的有效途径是基于传统滤膜基础上设计一种导电纳米多孔复合过滤膜，同时兼具电极和过滤的作用，从而提高收集效率、检测灵敏度和可靠性。技术实现要素：本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入基膜，然后将氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于65～75℃的真空烘箱内烘干；步骤二、将氧化石墨烯负载的基膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加水合肼溶液，将其置于65～75℃烘箱中熏蒸15～45min，取出，得到石墨烯基导电滤膜。优选的是，所述氧化石墨烯分散液的浓度为1～6mg/l；所述基膜的厚度为0.5～3mm。优选的是，所述氧化石墨烯分散液的用量与基膜的表面积的比例为：1ml:3～4cm2。优选的是，所述水合肼溶液的浓度为60～80wt％；所述水合肼溶液与氧化石墨烯分散液的体积比为1:30～60。优选的是，所述基膜为玻璃纤维膜、聚丙烯膜、聚丙烯腈膜、尼龙膜、聚乳酸膜、聚苯乙烯膜中的任意一种。优选的是，所述玻璃纤维膜为硼硅酸盐玻璃纤维膜。优选的是，所述基膜为聚碳酸酯-聚己内酯复合膜，其制备方法为：将质量比为3～5:1的聚碳酸酯和聚己内酯溶解在氯仿和dmf的混合溶剂中，得到质量分数为5～8％的聚碳酸酯-聚己内酯混合溶液，即壳层溶液，所述氯仿与dmf的体积比为4～6：1；将聚氧乙烯溶解在水中，得到质量分数为3～5％的聚氧乙烯溶液，即核层溶液，将壳层溶液和核层溶液分别注入到静电纺丝机中不锈钢同轴喷头的外层和内层，在不锈钢同轴喷头与接收平板之间施加电压，接收平板上铺设有锡箔纸，然后将壳层溶液和核层溶液在高压静电喷射条件下喷射到接收平板的锡箔纸上，形成纤维膜，将纤维膜烘干，将烘干的纤维膜加入水中超声浸泡12h，超声的频率为35～45khz；将纤维膜捞出后烘干；得到聚碳酸酯-聚己内酯复合膜。优选的是，所述高压静电喷射条件为：静电纺丝机中环境温度为40～55℃，高压电源的输出电压为15～20kv，接收平板与不锈钢同轴喷头喷丝口之间的距离为5-10cm，核层溶液的流速为5～10ml/h，核层溶液与壳层溶液的流速比1:2；所述不锈钢同轴喷头的内针头的内径为0.5～0.8mm，外针头的内径为1.2～1.6mm。优选的是，将得到的聚碳酸酯-聚己内酯复合膜进行再处理，其过程为：在波长800nm，脉宽50～80fs，重复频率2～3khz条件下，使用飞秒激光对聚碳酸酯-聚己内酯复合膜表面处理0.5～0.6s。本发明还提供一种如上述的石墨烯基导电滤膜的制备方法制备的石墨烯基导电滤膜，所述石墨烯基导电滤膜的电导率为0.0004～0.0006s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的平均过滤效率为96～98％。本发明至少包括以下有益效果：本发明的石墨烯基导电滤膜能实现石墨烯在基膜上的均匀负载，水合肼蒸汽熏蒸还原过程能实现石墨烯的高效还原。本发明的石墨烯基导电滤膜电导率为0.0004～0.0006s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的平均过滤效率为96～99％。本发明的石墨烯基导电滤膜原料价格低廉，且操作流程简单，有望于实现工业化。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明：图1为本发明实施例7制备的石墨烯基导电滤膜的sem图；图2为本发明实施例7制备的石墨烯基导电滤膜的实物图；图3为本发明采用的氧化石墨烯的原子力显微镜图；图4为本发明采用的氧化石墨烯的x射线衍射图；图5为本发明的双滤膜过滤效率测试采样示意图。具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。实施例1：一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入硼硅酸盐玻璃纤维膜，然后将5ml浓度为2mg/l的氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于70℃的真空烘箱内烘干；所述硼硅酸盐玻璃纤维膜的厚度为1mm，直径为50mm，面积πr2＝19.625cm2；步骤二、将氧化石墨烯负载的硼硅酸盐玻璃纤维膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加100μl水合肼溶液，将其置于70℃烘箱中熏蒸15min，取出，得到石墨烯基导电滤膜；所述水合肼溶液的浓度为80wt％；该滤膜电导率为0.000448s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的过滤效率为96.2％。实施例2：一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入硼硅酸盐玻璃纤维膜，然后将5ml浓度为3mg/l的氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于70℃的真空烘箱内烘干；所述硼硅酸盐玻璃纤维膜的厚度为1mm，直径为50mm，面积πr2＝19.625cm2；步骤二、将氧化石墨烯负载的硼硅酸盐玻璃纤维膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加100μl水合肼溶液，将其置于70℃烘箱中熏蒸30min，取出，得到石墨烯基导电滤膜；所述水合肼溶液的浓度为80wt％；该滤膜电导率为0.000459s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的过滤效率为97.1％。实施例3：一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入硼硅酸盐玻璃纤维膜，然后将5ml浓度为5mg/l的氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于70℃的真空烘箱内烘干；所述硼硅酸盐玻璃纤维膜的厚度为1mm，直径为50mm，面积πr2＝19.625cm2；步骤二、将氧化石墨烯负载的硼硅酸盐玻璃纤维膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加100μl水合肼溶液，将其置于70℃烘箱中熏蒸45min，取出，得到石墨烯基导电滤膜；所述水合肼溶液的浓度为80wt％；该滤膜电导率为0.000625s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的过滤效率为97.5％。实施例4：一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入聚丙烯膜，然后将5ml浓度为2mg/l的氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于70℃的真空烘箱内烘干；所述聚丙烯膜的厚度为1mm，直径为50mm，面积πr2＝19.625cm2；步骤二、将氧化石墨烯负载的聚丙烯膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加100μl水合肼溶液，将其置于70℃烘箱中熏蒸15min，取出，得到石墨烯基导电滤膜；所述水合肼溶液的浓度为80wt％；该滤膜电导率为0.000436s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的过滤效率为94.5％。实施例5：一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入聚碳酸酯膜，然后将5ml浓度为2mg/l的氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于70℃的真空烘箱内烘干；所述聚碳酸酯膜的厚度为1mm，直径为50mm，面积πr2＝19.625cm2；所述聚碳酸酯膜的制备方法为：将聚碳酸酯溶解在氯仿和dmf的混合溶剂中，得到质量分数为6％的聚碳酸酯溶液，即壳层溶液，所述氯仿与dmf的体积比为5：1；将聚氧乙烯溶解在水中，得到质量分数为4％的聚氧乙烯溶液，即核层溶液，将壳层溶液和核层溶液分别注入到静电纺丝机中不锈钢同轴喷头的外层和内层，在不锈钢同轴喷头与接收平板之间施加电压，接收平板上铺设有锡箔纸，然后将壳层溶液和核层溶液在高压静电喷射条件下喷射到接收平板的锡箔纸上，形成纤维膜，将纤维膜烘干，将烘干的纤维膜加入水中超声浸泡12h，超声的频率为40khz；将纤维膜捞出后烘干；得到聚碳酸酯膜；所述高压静电喷射条件为：静电纺丝机中环境温度为45℃，高压电源的输出电压为18kv，接收平板与不锈钢同轴喷头喷丝口之间的距离为8cm，核层溶液的流速为6ml/h，核层溶液与壳层溶液的流速比1:2；所述不锈钢同轴喷头的内针头的内径为0.6mm，外针头的内径为1.2mm；步骤二、将氧化石墨烯负载的聚碳酸酯膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加100μl水合肼溶液，将其置于70℃烘箱中熏蒸15min，取出，得到石墨烯基导电滤膜；所述水合肼溶液的浓度为80wt％；该滤膜电导率为0.000441s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的过滤效率为95.3％。实施例6：一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入聚己内酯膜，然后将5ml浓度为2mg/l的氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于70℃的真空烘箱内烘干；所述聚己内酯膜的厚度为1mm，直径为50mm，面积πr2＝19.625cm2；将聚己内酯溶解在氯仿和dmf的混合溶剂中，得到质量分数为6％的聚己内酯溶液，即壳层溶液，所述氯仿与dmf的体积比为5：1；将聚氧乙烯溶解在水中，得到质量分数为4％的聚氧乙烯溶液，即核层溶液，将壳层溶液和核层溶液分别注入到静电纺丝机中不锈钢同轴喷头的外层和内层，在不锈钢同轴喷头与接收平板之间施加电压，接收平板上铺设有锡箔纸，然后将壳层溶液和核层溶液在高压静电喷射条件下喷射到接收平板的锡箔纸上，形成纤维膜，将纤维膜烘干，将烘干的纤维膜加入水中超声浸泡12h，超声的频率为40khz；将纤维膜捞出后烘干；得到聚己内酯膜；所述高压静电喷射条件为：静电纺丝机中环境温度为45℃，高压电源的输出电压为18kv，接收平板与不锈钢同轴喷头喷丝口之间的距离为8cm，核层溶液的流速为6ml/h，核层溶液与壳层溶液的流速比1:2；所述不锈钢同轴喷头的内针头的内径为0.6mm，外针头的内径为1.2mm；步骤二、将氧化石墨烯负载的聚己内酯膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加100μl水合肼溶液，将其置于70℃烘箱中熏蒸15min，取出，得到石墨烯基导电滤膜；所述水合肼溶液的浓度为80wt％；该滤膜电导率为0.000439s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的过滤效率为95.0％。实施例7：一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入聚碳酸酯-聚己内酯复合膜，然后将5ml浓度为2mg/l的氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于70℃的真空烘箱内烘干；所述聚碳酸酯-聚己内酯复合膜的厚度为1mm，直径为50mm，面积πr2＝19.625cm2；所述聚碳酸酯-聚己内酯复合膜的制备方法为：将质量比为4:1的聚碳酸酯和聚己内酯溶解在氯仿和dmf的混合溶剂中，得到质量分数为6％的聚碳酸酯-聚己内酯混合溶液，即壳层溶液，所述氯仿与dmf的体积比为5：1；将聚氧乙烯溶解在水中，得到质量分数为4％的聚氧乙烯溶液，即核层溶液，将壳层溶液和核层溶液分别注入到静电纺丝机中不锈钢同轴喷头的外层和内层，在不锈钢同轴喷头与接收平板之间施加电压，接收平板上铺设有锡箔纸，然后将壳层溶液和核层溶液在高压静电喷射条件下喷射到接收平板的锡箔纸上，形成纤维膜，将纤维膜烘干，将烘干的纤维膜加入水中超声浸泡12h，使内层的聚己内酯纤维溶解在水中，形成中空的聚碳酸酯-聚己内酯复合膜；超声的频率为40khz；将纤维膜捞出后烘干；得到聚碳酸酯-聚己内酯复合膜；所述高压静电喷射条件为：静电纺丝机中环境温度为45℃，高压电源的输出电压为18kv，接收平板与不锈钢同轴喷头喷丝口之间的距离为8cm，核层溶液的流速为6ml/h，核层溶液与壳层溶液的流速比1:2；所述不锈钢同轴喷头的内针头的内径为0.6mm，外针头的内径为1.2mm；步骤二、将氧化石墨烯负载的基膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加100μl水合肼溶液，将其置于70℃烘箱中熏蒸15min，取出，得到石墨烯基导电滤膜；所述水合肼溶液的浓度为80wt％；该滤膜电导率为0.000658s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的过滤效率为98.5％。实施例8：一种石墨烯基导电滤膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、在真空抽滤装置的滤杯中放入聚碳酸酯-聚己内酯复合膜，然后将5ml浓度为2mg/l的氧化石墨烯分散液加入滤杯中，打开真空抽滤装置的真空泵，控制抽滤压强在0.008～0.020mpa之间，进行真空抽滤，将制备的氧化石墨烯负载的基膜置于70℃的真空烘箱内烘干；所述聚碳酸酯-聚己内酯复合膜的厚度为1mm，直径为50mm，面积πr2＝19.625cm2；所述聚碳酸酯-聚己内酯复合膜的制备方法为：将质量比为4:1的聚碳酸酯和聚己内酯溶解在氯仿和dmf的混合溶剂中，得到质量分数为6％的聚碳酸酯-聚己内酯混合溶液，即壳层溶液，所述氯仿与dmf的体积比为5：1；将聚氧乙烯溶解在水中，得到质量分数为4％的聚氧乙烯溶液，即核层溶液，将壳层溶液和核层溶液分别注入到静电纺丝机中不锈钢同轴喷头的外层和内层，在不锈钢同轴喷头与接收平板之间施加电压，接收平板上铺设有锡箔纸，然后将壳层溶液和核层溶液在高压静电喷射条件下喷射到接收平板的锡箔纸上，形成纤维膜，将纤维膜烘干，将烘干的纤维膜加入水中超声浸泡12h，超声的频率为40khz；将纤维膜捞出后烘干；得到聚碳酸酯-聚己内酯复合膜，在波长800nm，脉宽80fs，重复频率2khz条件下，使用飞秒激光对聚碳酸酯-聚己内酯复合膜表面处理0.5s，采用飞秒激光处理，改变了聚碳酸酯-聚己内酯复合膜的表面形貌，更利于氧化石墨烯的负载；所述高压静电喷射条件为：静电纺丝机中环境温度为45℃，高压电源的输出电压为18kv，接收平板与不锈钢同轴喷头喷丝口之间的距离为8cm，核层溶液的流速为6ml/h，核层溶液与壳层溶液的流速比1:2；所述不锈钢同轴喷头的内针头的内径为0.6mm，外针头的内径为1.2mm；步骤二、将氧化石墨烯负载的基膜放置在培养皿上，在培养皿里滴加100μl水合肼溶液，将其置于70℃烘箱中熏蒸15min，取出，得到石墨烯基导电滤膜；所述水合肼溶液的浓度为80wt％；该滤膜电导率为0.000714s/cm，对0.1～0.5μm颗粒的过滤效率为99.5％。其中，实施例1～8中石墨烯基导电滤膜对0.1～0.5μm颗粒的平均过滤效率的测试方法为：1、测试条件滤纸规格：50mm*1mm(直径*厚度)；测试流量：60l/min(3.6m2/h)；测试有效收集面积:15.90cm2；2、测试方法及过程2.1测试方法采用双滤膜法测试。2.2测试过程滤膜法采样实验方法如图5所示。采样盒中放两张滤纸，分别为测试滤纸和高效滤纸(过滤效率>99％)，测试滤纸置于最上方，高效滤纸在下方；以空气中的氡子体气溶胶颗粒物为采样对象。启动抽气泵，将采样流量(质量流量)调至测试流量，并保持恒流采样。经适当的采样时问后，取下两张滤纸，分别对其进行α计数测量。天然氡子体气溶胶可颗粒物粒度特征通常认为是amad＝0.1-0.5(μm)，σg＝1.5～2.5,因此，这种以氡子体气溶胶为采样对象的滤膜过滤效率的测试方法是可行的。通过α(或β)计数测量仪，对采样后的两张滤纸上的活度计数进行多次等时间间隔的测量。过滤效率按下式计算：式中，e(f1)为测试滤纸的过滤效率，n(f1)和n(f0)分别是测试滤纸和高效滤纸的α活度计数率。3、测试结果根据上述方法，对所提供的滤膜样品进行采样和计数测量后，在数据处理中，还必须对滤纸上因衰变所造成的计数测量结果的不等效性进行修正。经数据修正后，得到滤纸过滤效率结果如下：表1过滤效率测试结果实施例n(f1)*tn(f0)*t过滤效率121528596.2％224117297.1％323015997.5％412037094.5％511765895.3％614257595.0％736125598.5％859703099.5％尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页12