[发明专利]一种个体防护用纳米碳纤维/钛酸锌复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种个体防护用纳米碳纤维/钛酸锌复合材料及其制备方法，属于纳米功能材料的技术领域。

背景技术

    目前，各国所使用的军用个体防护服主要核心过滤介质是活性炭材料。此类防护材料的工作原理主要是靠内层浸渍的活性炭物质来吸附有毒有害物质，以此达到减轻有害物质对人体的伤害，达到防护的效果。然而，使用了这一类防护材料的个体防护装置一般较为厚重，使用过程中给穿着人员带来沉重的生理负荷；分解有毒有害试剂的效率极低；透气透湿性较差，穿着人员很快到达热负荷强度极限；最主要的一个原因是目前所使用的个体防护用材料吸附量不仅有限，而且不能高效分解有害生化试剂，当吸附量达到饱和后丧失其作为防护材料的功能，在这种情况下会给穿着人员生命产生极大的危险性。

纳米碳纤维材料作为碳纤维家族的新成员，由于具有纳米尺度，使其具有纳米尺寸效应，使得该纤维具有较高的比表面积、优异的机械性能、优良的化学稳定性等而受到重视，其潜在的应用研究取得了许多骄人的成果，更激发了人们对纳米碳纤维的深入研究。目前越来越多的研究者通过各种方法和使用不同的原材料来制备高质量低成本的纳米碳纤维，并探索其在催化剂载体、高效吸附剂和增强材料等方面的应用潜力。

目前，制备纳米碳纤维的方法主要是气相生长法，国内就此申请了一些专利（专利公开号：CN1258637、CN1168348、CN1389606），用此方法制备纳米碳纤维时，碳纤维的直径偏大且分布不均匀，纤维中易出现炭黑等物质。此外，此方法难以规模化制造纳米碳纤维，难以实现工业化连续生产。人们试图通过湿法纺丝法制备纳米碳纤维，但最终获得的碳纤维的直径都在微米数量级，不能发挥纳米碳纤维的优势。

由静电纺丝法制备的纤维膜具有纤维直径小、比表面积大、孔径小以及孔隙率高等优点，将由静电纺丝方法获得的纤维作为制备纳米碳纤维的前躯体，可以获得连续、比表面积大、孔隙率高、机械性能良好的纳米碳纤维。

发明内容

    本发明的目的是克服现有的个体防护材料分解有毒有害物质效率低、重量大、透气透湿性差等问题，提供一种可高效吸附并分解有毒有害物质、厚度薄及重量轻的防护材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种个体防护用纳米碳纤维/钛酸锌复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：在室温条件下，将0.3-2.5 g异丙氧基钛和0.8-2.2 g醋酸锌加入10-50 g乙醇溶剂，再加入聚乙烯吡咯烷酮，以80-200 rpm的转速进行搅拌溶解，得到纺丝液A；

第二步：在室温条件下，将聚丙烯腈加入N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，以60-150 rpm的转速进行搅拌溶解，得到纺丝液B；

第三步：在室温、相对湿度为10-60 %的条件下，将第一步得到的纺丝液A和第二步得到的纺丝液B以相同流量分别输送到静电纺丝机的相邻两个喷丝头上进行静电纺丝，使纤维沉积在接收器上混合成膜，得复合纤维膜；

第四步：将第三步得到的复合纤维膜进行真空干燥1-3 h后，在100-170℃下，以5-20 m/min的拉伸速度进行拉伸处理；

第五步：将第四步得到的复合纤维膜置于空气中进行预氧化，预氧化温度为180-300℃，预氧化时间为2~3 h；

第六步：将第五步得到的复合纤维膜在氮气保护下进行碳化，温度为900-1800℃，升温速率为3-15℃/min，恒温时间为50-120 min，最后降温至室温。

优选地，所述的第一步中的聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比为10-50 %。

优选地，所述的第二步中的聚丙烯腈的质量百分比为5-25 %。

优选地，所述的第三步中的纺丝液A和纺丝液B的流量分别为0.5-5 mL/h，喷丝头与接收器之间的距离为5-30 cm，纺丝电压为8-35 kV。

优选地，所述的第三步中的接收器为铝箔、铜网、织物、铁板、导电卡纸及无纺布中的任意一种或两种以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明所使用的混合静电纺丝方法，可同时电纺两种物理化学性质不同的不相容的纺丝原液，进而获得其他方法无法得到的混合电纺纤维膜。

（2）本发明制备的纳米碳纤维/钛酸锌复合材料具有极高的比表面积，可在高效吸附有毒有害生化试剂的同时对其进行快速分解。

（3）本发明提供的复合纤维膜具有厚度薄、重量轻的特点，其重量仅为现有活性炭材料的1/15左右。

具体实施方式