[发明专利]一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料及其制备方法和应用，包括高分子滤层材料、以及形成在高分子滤层材料表面的由石墨烯、氧化石墨烯中至少一种与植物纤维自组装的三维多孔结构层，所述植物纤维为思茅松、亚麻、针叶、竹纤维、蔗渣纤维、胡麻、纤维素纤维中的至少一种；优选地，所述石墨烯包括三维石墨烯、少层石墨烯中的至少一种。

技术领域

本发明涉及一种植物纤维自支撑的石墨烯防霾滤层材料及其制备方法和应用，属于雾霾防止领域。

背景技术

随着现代工业的发展，环境污染变得日益严重，大气污染作为环境污染的一部分对人类的身体健康产生了严重的威胁。大气污染的一个产物便是雾霾。雾霾产生的原理很复杂，其化学组成和结构也很复杂。雾霾的主要危害成分便是PM 2.5，它是指尺寸在2.5微米及其以下的存在于大气中的固体颗粒物，其可直接进入人体支气管和肺泡引发支气管炎和哮喘，进入血液循环引发充血性心力衰竭和心脏病，同时PM2.5微尘含多种有毒有害物质，能引起人体中毒，引发肺癌发病率，而且可影响胎儿发育等，对人类社会造成极大的危害。口罩尤其是能够阻隔PM2.5颗粒的防霾口罩是一种保护人类健康的有效手段。然而目前市场上大多数口罩不能有效的阻挡PM2.5，而且佩戴一段时间便会产生异味，影响整体舒适感。

石墨烯是一种由碳原子构成的六边形蜂窝状二维材料，其理论比表面积(2630m²/g)，而带有功能化基团的石墨烯可组装成三维多孔石墨烯结构，具有较好的吸附性能和阻挡微小颗粒的能力。然而目前构建三维石墨烯的方法多采用模板辅助CVD法或者水热还原法，制备成本较高，工艺复杂，且制备的材料力学强度差，不利于大范围实际使用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有高效的PM2.5过滤效率，且不影响呼吸阻力，同时还能自动清除异味，价格低廉，工艺简单的防霾口罩滤层材料及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种植物纤维自支撑石墨烯防霾滤层材料，包括高分子滤层材料、以及形成在高分子滤层材料表面的由石墨烯、氧化石墨烯中至少一种与植物纤维自组装的三维多孔结构层，所述植物纤维为思茅松、亚麻、针叶、竹纤维、蔗渣纤维、胡麻、纤维素纤维中的至少一种；优选地，所述石墨烯包括三维石墨烯、少层石墨烯(例如，微波还原氧化石墨烯、物理剥离低缺陷石墨烯)中的至少一种。

本发明选用的植物纤维(例如，思茅松、亚麻、针叶、竹纤维、蔗渣纤维、胡麻、纤维素纤维等)具有多种含氧官能团(例如，羟基、羧基、羰基、环氧基团、醚基、酯基、有些还含有酰胺基团等)，通过纤维表面基团的氢键、范德华力等共同作用，纤维自身便可在高分子滤层上组装成一定程度的三维多孔结构(类似于造纸过程)，同时氧化石墨烯表面的含氧基团(羧基、羟基、羰基、环氧基)等的存在，也可与纤维相互作用而在纤维表面组装，且石墨烯或和氧化石墨烯的片状结构有利于PM2.5的隔离。其中三维石墨烯结构本身便含有多孔结构，其可与纤维骨架共同构建更加丰富的孔道，进而阻挡PM2.5微小颗粒。总之，植物纤维的引入既可以起到支撑石墨烯、三维石墨烯或/和氧化石墨烯，防止其团聚，同时还可引入多级孔结构，具有极大孔隙率，极好的吸附和过滤效果，在雾霾防护领域具有极大的实际应用价值。此外，植物纤维还可以与特定结构石墨烯通过氢键、范德华力等作用而相互连接，稳固其结构，防止石墨烯或/和氧化石墨烯的脱落。此外，特定结构的三维石墨烯还包括水热和CVD法制备的三维多孔结构，其与纤维可以共同构建更加丰富的孔道结构。

较佳地，所述植物纤维的质量与石墨烯或/和氧化石墨烯质量之比为3:1～1:5，优选为1:1～1:4。纤维含量过高会引起纤维堆叠较致密，孔较小，进而导致呼吸阻力上升。纤维过少，不能起到支撑和固定石墨烯片的作用。

较佳地，所述三维多孔结构层的厚度为50～300μm。