[发明专利]一种纳米碳材料复合滤材的制备装置及方法

说明书

本发明涉及一种纳米碳材料复合滤材的制备装置及方法。所述制备装置通过设计带有中空结构且开孔的针刺，以及带有夹层结构的针刺板，并将所述针刺的中空结构和所述针刺板的夹层结构相连通，成为了一种可注入式的针刺装置，可以实现针刺加工和材料复合的同步完成。本发明所述制备方法通过针刺系统，将纳米碳材料注入基体纤维中，在基体纤维内部的三维空间更加紧密和均匀的同时，使得纳米碳材料均匀地负载在基体纤维表面，进而得到纳米碳材料复合滤材。此外，本发明所述制备方法并不仅限于纳米碳材料，其他功能材料同样适用，所述制备方法具有适用范围广泛、操作简单、省时省力的优点。

技术领域

本发明涉及复合纤维技术领域，具体涉及一种纳米碳材料复合滤材的制备装置及方法。

背景技术

纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子(非碳原子)组成，甚至可以是纳米孔。碳纳米材料化学性质稳定、耐高温，具有超高比表面积、可功能化调控和超强吸附性能等特性，是重要的高性能吸附材料。

非织造过滤材料，简称非织滤材，具有三维的纤维网状结构，大量存在的微孔结构具有良好的渗透性，在相同的有效通过面积下，非织滤材的过滤效率远高于机织滤材，还具有纤网结构可控、可加工性好、过滤效率高、成本低等优点，是一类重要的过滤材料，在过滤行业的应用十分广泛。但是，非织滤材受纤维性质的制约，功能可设计性有限。

目前，主要通过对成品滤材进行复合加工的方法来制备复合型功能滤材。但是，该方法存在两个主要问题：一方面，由于滤材已加工完成，可设计性有限，且纳米碳材料的表面能较高，凝聚形态以粉体和液相分散体系为主，易团聚，不适合单独作为过滤材料使用，需要通过喷覆或浸渍的方式负载上功能材料，该类方法仅能保证对非织滤材的表层进行功能化处理，但是很难对非织滤材的纤维进行功能化处理，从而很难实现功能材料的均匀性负载修饰；另一方面，机织、编织和针织等传统复合材料制备过程较为繁琐，往往耗费大量的人力、物力，且制备周期较长，导致复合型功能滤材的应用成本升高，严重影响了滤材的进一步应用和发展。

材料加工设备决定材料性质和可应用价值。针刺是非织滤材的主要加工方法，对应的加工设备针刺机是将一定厚度的基体纤维经压实、反复针刺，得到具有一定强力、密度、弹性等性能的非织滤材的设备。目前，为了提高针刺机的使用性能，研究者们对针刺机进行了相关改进。例如CN110552116A公开了一种无纺布针刺机，CN107641900A公开了一种针刺机的针刺机构，CN110629407A公开了一种针刺角度可调整的针刺机，CN106958080A公开了一种新型针刺机，但是上述专利仅仅对针刺稳定性、针刺上的纤维清理、调整针刺角度等问题进行了优化，并没有进行有关纳米碳材料负载的功能化处理的设备改进。另外，有的研究者先将基体纤维进行功能化处理，再利用针刺机制备成功能化非织滤材，例如CN105463613A公开了一种聚酰胺6-石墨烯量子点/碳纳米管防静电纤维及制备，包括石墨烯量子点/碳纳米管(GQD/CNT)复合材料的制备、聚酰胺6-石墨烯量子点/碳纳米管(PA6-GQD/CNT)母粒的制备、熔体纺丝，得到的功能化纺丝可以通过针刺制备针刺地毯，但是这种制备方法仍然没有对针刺机进行功能化改进，还具有步骤繁琐、耗时耗力等缺点。

综上所述，如何通过设备设计，将纳米碳材料均匀、可控的分散于纤维表面是解决工业化应用问题的关键，是目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提出一种纳米碳材料复合滤材的制备装置，其中针刺系统包括带有中空结构且开孔的针刺和带有夹层结构的针刺板，且所述针刺的中空结构和所述针刺板的夹层结构相连通，利用其制备纳米碳材料复合滤材的方法包括基体纤维基本处理和针刺处理，使得纤维针刺工艺与纳米碳材料复合工艺同步完成，既可以实现非织滤材的功能化设计，高性能复合滤材的快速制备，又具有操作简单、省时省力、适用广泛的优点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：