花状石墨烯、熔喷布及二者制备方法和一种口罩与流程

专利2022-07-08 103

本发明属于石墨烯制备及应用领域，具体为一种基于电化学处理的花状石墨烯及其制备方法及其在熔喷产品中的应用。

背景技术：

熔喷布是由微米级纤维无序堆积所构成的，形成极为细小的颗粒物滤过窄隙与滞留空间，而且，经过驻极处理后，纤维上负载的静电荷也能够通过库仑力捕获细微颗粒物，因此制作而成的口罩呼吸阻力适宜，佩戴舒适。自2020年新冠疫情暴发以来，口罩成为人们生活、工作、出行的必备用品，而人们对口罩的过滤性能、透气性、寿命，乃至抑菌效果也提出了更高的要求。

石墨烯是一种厚度只有0.34nm的超薄二维纳米材料，不仅具有突出优异的化学稳定性与力学性能、超强的导热性能与导电性，也具有较强的离子交换性能和吸附性能，可广泛用于空气净化、水处理、储能、催化等领域。同样，石墨烯在熔喷布和口罩中也能够发挥重要的作用。通过将石墨烯纳米片组装成一定立体的结构并均匀分散至熔喷布中，可发挥其比表面积大的优势，充分吸附空气中的颗粒物，因此在保持过滤性能的同时，透气性大为改善。

在石墨烯/聚丙烯复合母粒及其熔喷布的相关制备技术中，如cn202010580101.6一种可循环使用高过滤性的石墨烯复合熔喷布及制备方法，虽然也记载了石墨烯熔喷布，但是只是限于介绍熔喷布的组分，利用了石墨烯材料，对石墨烯自身结构特性对熔喷布性能影响未展开深入研究。同时为达到产品的均匀性要求，使用了大量、多种的助剂与添加剂，因此，多种助剂与添加剂在产品中的残留将降低产品的性能。例如，现有的石墨烯/聚丙烯复合母粒中，助剂的质量分数高达1～5％，这在一定程度上影响了石墨烯/聚丙烯复合母粒的加工性能，并导致熔喷布产品品质下降，性能降低。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种结构可控，亲油疏水、抗菌抑菌、吸附能力强的花状石墨烯，以及采用该石墨烯的熔喷布和口罩。

另外，本发明还提供该花状石墨烯、熔喷布的制备方法。

本发明的技术方案：一种花状石墨烯，由若干相互独立的石墨烯团聚体构成，其中所述石墨烯团聚体由单层或多层超薄二维纳米材料卷曲形成，所述单个石墨烯团聚体尺寸在50～200nm之间，结构均匀稳定，且能够有效保持各团聚体的独立性而不发生二次团聚，从而提高对外接触面积。

所述石墨烯团聚体单个结构体存在卷轴中心，并环绕卷轴中心由带状超薄二维纳米材料卷曲而成花状结构。

所述石墨烯团聚体卷曲层数在2～20，可有效发挥石墨烯特有的吸附性能和杀菌性能。

一种所述花状石墨烯的制备方法，其包括如下步骤：

(1)采用石墨棒作为阳极，采用金属电极作为阴极；

(2)配置koh/h2o2水溶液作为电解液；

(3)将石墨棒与金属电极作为电解池的电极，并放入电解池中，调节电极位置，浸入电解液，使用导线将石墨棒、金属电极与直流电源连接，阳极连接直流电源的正极，阴极连接直流电源的负极，待直流电源施加直流电压后，进行电解反应；

(4)电解过程中，阳极石墨棒上不断产生气泡，电解液颜色由无色变为黑色；

(5)电解完成后，过滤电解液后得到黑色产物，使用蒸馏水清洗；

(6)将清洗后的黑色粉体烘干，得到花状石墨烯。

所述步骤(2)中koh的浓度为0.1m～10m，h2o2的浓度为10mm～1m，从而达到适宜的反应速度，可保证花状石墨烯的结构稳定一致，且产率稳定。

所述步骤(3)中石墨棒为纯度不低于99.9％，防止花状石墨烯中含有过多的杂质成分，降低过滤或抗菌性能，无法满足最终产品的性能要求或化学成分要求。所述金属阳极采用铂电极，且阴极与阳极之间的间距为3～10cm，避免由于电解作用不充分，花状石墨烯的结构不稳定。

所述步骤(3)中直流电压为0.1～20v，电解反应体系的温度不高于50℃，防止温度过高造成的剥离反应加快，从而导致花状石墨烯材料的结构不稳定。

一种熔喷布，其熔喷纤维含有所述花状石墨烯，所述花状石墨烯在熔喷纤维中的质量含量为0.001％～1％，避免含量过高造成的分散不均匀现象，且有证据表明，过高含量花状石墨烯对其熔喷布产品的有益增效十分有限。

一种制备根据所述熔喷布的方法，其过程如下：

(1)复合母粒的制备：分别称取一定量的花状石墨烯、分散剂、聚丙烯树脂料，并将三种原料进行混合搅拌均匀，之后将混合料加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度、启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥即制得所述复合母粒；

(2)熔喷工艺处理：取一定量步骤(1)制备的复合母粒以及聚丙烯树脂料，将两种物料混合均匀后送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；

(3)驻极处理：将步骤(2)所制备的熔喷超细纤维上卷、静电驻极、分切、收卷即得所述以花状石墨烯为填料的熔喷产品。

所述步骤(1)中花状石墨烯、分散剂、聚丙烯树脂料的质量比为0.01～10：0.1～1:99.89～89；所述步骤1中，挤出温度为150～250℃。

所述步骤(2)中复合母粒与聚丙烯树脂料的质量比为0.1～10：99.9～90；所述步骤(2)中，挤出温度为160～280℃，接收距离为7～25cm。

一种口罩，其采用所述的熔喷布。

本发明的有益效果：本发明制备的花状石墨烯由于内部有大量卷曲的团聚体结构，因此石墨烯表面官能团含量较少，呈现为高疏水性，可有效避免呼吸过程中分子的聚集，同时花状石墨烯能够利用其锋利的边缘对细菌造成物理损伤，将其细胞膜中的磷脂提取出来从而破坏其完整性，最终导致细胞质的流出；石墨烯还可生成活性氧簇，从而诱发氧化应激反应，通过氧化细胞结构或成分造成微生物活性的破坏。因此含有花状石墨烯的熔喷布具有过滤性能高，透气性好，抗菌抑菌性优异、寿命长等特点，而且加入石墨烯的熔喷布抗拉伸性能提高，这意味着石墨烯熔喷布将更结实，相应地，制作的口罩也更结实耐用，因此综合性能优于普通熔喷布和常规石墨烯熔喷布。另外，本发明采用花状石墨烯的熔喷布制备工艺简单，可大量生产，成本低廉，其所制造的口罩，在疫情乃至疫情过后的相当一段时间内，都具有极高的实践应用价值。

附图说明

图1是本发明提出的花状石墨烯的制备电解示意图；

图2是实施例1中制备的花状石墨烯的透射电子显微镜(tem)图片；

图3是实施例2中制备的花状石墨烯的透射电子显微镜(tem)图片。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

(1)采用高纯石墨棒作为阳极，采用铂电极作为阴极；配置koh/h2o2水溶液作为电解液，其中，koh的浓度为5m，h2o2的浓度为20mm。

(2)请参考图1，将高纯石墨棒与铂电极放入电解池中，调节电极间距为5cm，浸入电解液，使用导线将高纯石墨棒、铂电极与直流电源连接，阳极连接直流电源的正极，阴极连接直流电源的负极，待直流电源施加直流电压15v后，在室温下进行电解反应；电解完成后，过滤电解液后得到黑色产物，使用蒸馏水清洗；

(3)将清洗后的黑色粉体在干燥箱中烘干，得到花状石墨烯，请参阅图2，其为本实施例中制备的花状石墨烯的透射电子显微镜(tem)图片，从图中，可见，所制备得到的石墨烯卷成玫瑰花状，尺寸在100nm左右。该花状石墨烯由10层且厚度不超过1nm的超薄二维纳米材料卷曲而成，表面官能团含量较少，呈现为高疏水性，可有效避免呼吸过程中分子的聚集，同时花状石墨烯的边缘较为锋利，能够利用其锋利的边缘对细菌造成物理损伤，将其细胞膜中的磷脂提取出来从而破坏其完整性，最终导致细胞质的流出，因此具有较好的抗菌性能。

(4)称取花状石墨烯、分散剂、聚丙烯树脂料按质量比0.01：0.1:99.89，进行混合搅拌均匀后，加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度为150℃，启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥，得到复合母粒。

(5)将复合母粒和聚丙烯树脂料按质量比2:98混合均匀后，送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；