一种复合纤维、及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明属于功能性纤维制备领域，具体涉及一种具有吸附功能的复合纤维、及其制备方法和用途，特别涉及一种包覆有石墨烯气凝胶的复合纤维、及其制备方法和用途。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种由单层sP2杂化碳原子组成的蜂窝状结构的二维材料，具有许多优异的性能。自从2004年被发现起，石墨烯就成为了科学界的一大研究热点。石墨烯的理论比表面积高达2600m2/g，具有良好的导热性和力学性能。气凝胶，是一种超低密度、大孔体积、高比表面积的纳米多孔固态材料，这些特征都归因其纳米颗粒相连所构成的三维网状结构。石墨烯气凝胶继承了石墨烯和气凝胶高比表面积、高孔隙率、高导电率以及良好的热导率等优点。
[0003]CN104815630A发明了一种选择性吸附苯并芘和苯酚的滤嘴纤维的制备方法，其是将氧化石墨烯喷涂到纤维表面。该方法指示将氧化石墨烯简单修饰到纤维表面，无法避免氧化石墨烯的自身团聚作用，因此无法完全体现石墨烯的高吸附特性。
[0004]CN102674315A公开了一种石墨烯-碳纳米管复合全碳超轻弹性气凝胶及其制备方法，所述石墨烯-碳纳米管复合全碳超轻弹性气凝胶属于自支撑的气凝胶，具有机械强度低的问题。
[0005]所谓“自支撑的气凝胶”是指在气凝胶内部没有其他成分来支撑气凝胶，仅靠气凝胶自身的框架来起到支撑作用。而对于自支撑的石墨烯气凝胶，其很容易塌陷，影响使用。
[0006]CN105130380A公开了一种石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶的制备方法，该石墨烯-氧化锆纤维复合气凝胶是石墨烯与纤维形成复合体，在石墨烯气凝胶宏观体中，分布较多的纤维作为骨架，而并非是单根纤维表面形成表面形成气凝胶。属于较大体积的石墨烯气凝胶。
[0007]当石墨烯气凝胶用于吸附领域时，对于较大体积的石墨烯气凝胶而言，当待吸附物质被石墨烯气凝胶吸附一段时间后，表面的纳米孔被待吸附物质填满，形成障碍层，出现自身表面屏蔽作用，而待吸附物无法进一步到达石墨烯气凝胶的内部，造成吸附速率低，石墨烯气凝胶单位体积的吸附能力有限，石墨烯气凝胶的利用率低的问题。
[0008]稠环芳经(PAHs，polycyclic aromatic hydrocarbon)是指具有两个或两个以上苯环的一类有机化合物。稠环芳烃是分子中含有两个以上苯环的碳氢化合物，包括萘、蒽、菲、芘等150余种化合物。有些多环芳烃还含有氮、硫和环戊烷，常见的多环芳烃具有致癌作用的多环芳烃多为四到六环的稠环化合物。国际癌研究中心(IARC)(1976年)列出的94种对实验动物致癌的化合物中15种属于多环芳烃，由于苯并a芘是第一个被发现的环境化学致癌物，而且致癌性很强，故常以苯并(α)芘作为多环芳的代表，它占全部致癌性多环芳烃1%
?20% ο
[0009]苯并芘又称苯并(α)芘(BaP)，是一种常见的高活性间接致癌物和突变原。3，4_苯并芘释放到大气中以后，总是和大气中各种类型微粒所形成的气溶胶结合在一起，在8μπι以下的可吸入尘粒中，吸入肺部的比率较高，经呼吸道吸入肺部，进入肺泡甚至血液，导致肺癌和心血管疾病，是多环芳烃中毒性最大的一种强烈致癌物，空气中的BaP是导致肺癌的最重要的因素之一。
[0010]吸烟过程即是一个最为常见的人体直接接触苯并芘吸附颗粒的过程。此外，食用油在加工和油炸食品烹调过程中温度过高也会产生该类致癌物质。而该类场合如果使用基于多孔吸附原理制备的吸附剂，一方面确保吸附高效性，另一方面无法实现目标物的选择性吸附，进而不能满足特定场合的使用要求。因此，开发一种具有PAHs类物质特异性吸附功能的材料尤为必要。
[0011]石墨烯是一种由碳原子通过sP2杂化轨道成键而成，具有六边形蜂窝状晶格结构的二维原子晶体材料，其独特而完美的结构使其具有优异的吸附及催化降解特性。石墨烯和以苯并芘为代表的PAHs类物质具有相似的化学结构，最新的研究表明，石墨烯与碳纳米管一样具有清除自由基的功能，这归因于此类纳米碳材料分子中存在很大的η共轭结构，同时该共轭结构决定了石墨烯与多环芳烃类物质如苯并芘具有很强的J1-Ji键相互作用，这就为石墨烯作为PAHs类物质如苯并芘特异性吸附材料提供了理论基础。
[0012]因此，本领域需要开发一种单位体积的吸附能力较高的石墨烯气凝胶产品，其吸附速率高，石墨烯气凝胶的利用率高，且具有一定的机械强度，不会塌陷。
【发明内容】
[0013]针对现有技术中，石墨烯气凝胶自身表面屏蔽作用导致的吸附速率低，单位体积的吸附能力有限，以及石墨烯气凝胶容易塌陷的缺陷，本发明目的之一是提供了一种复合纤维，所述复合纤维包括纤维载体，及包覆在所述纤维载体表面的石墨烯气凝胶层。
[0014]本发明所述“表面”还可以理解为外侧、外层、外表面等。
[0015]本发明通过在纤维表面沉积石墨烯气凝胶得到复合纤维，保留了石墨烯气凝胶大比表面积的特性，又通过纤维骨架赋予了气凝胶吸附层较高的强度，实现了气凝胶产品的重复利用；此外，在纤维上沉积的石墨烯气凝胶受限于纤维直径，不可能达到特别高的厚度，为薄层石墨烯气凝胶，这种薄层石墨烯气凝胶可以减弱现有技术中自支撑气凝胶产品的自身表面屏蔽作用，减少传质过程，大大提高传质速率。
[0016]本发明所述“纤维载体”为本领域能够获知的任何一种常规纤维，其是石墨烯气凝胶的支撑骨架，同时起到限制石墨烯气凝胶厚度的作用，所述“纤维载体”也可以称为纯纤维丝、纯纤维、未复合纤维或纤维本体等。
[0017]本发明所述“石墨烯气凝胶”还可称为三维石墨烯、石墨烯海绵、石墨烯宏观体或石墨烯泡沫。
[0018]优选地，所述复合纤维还包括设置于纤维载体与石墨烯气凝胶层之间的石墨烯层。
[0019]优选地，所述石墨烯气凝胶层和石墨烯层的石墨烯为生物质石墨烯。
[0020]层数多于10层，厚度在10nm以内碳的六元环蜂窝状片层结构，称为石墨稀纳米片层；以生物质为碳源制备的层数多于10层，厚度在10nm以内碳的六元环蜂窝状片层结构，称为生物质石墨烯纳米片层;层数为I?10层碳的六元环蜂窝状片层结构，称为石墨烯；以生物质为碳源制备的层数为I?10层碳的六元环蜂窝状片层结构，称为生物质石墨烯。[0021 ] 本发明所述石墨稀包括石墨稀纳米片层和石墨稀，进一步包括生物质石墨稀纳米片层和生物质石墨稀。
[0022]本发明所述的石墨烯可商购获得，也可以通过不同制备方法得到，例如机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀法，石墨氧化还原法，还可以是通过对生物质资源水热碳化法，以及现有技术中其他方法制备的石墨烯。但是，无论哪种方法都很难实现大规模制备得到严格意义理论上的石墨烯，例如现有技术制备得到的石墨烯中会存在某些杂质元素、碳元素的其他同素异形体或层数非单层甚至多层的石墨烯结构(例如3层、5层、10层、20层等)，本发明所利用的石墨烯也包括上述非严格意义理论上的石墨烯。
[0023]对于上述的“其它元素”:
[0024]利用石墨矿为原料制备得到的石墨烯中，可能含有石墨矿中自身存在的某些矿质元素，例如S1、Al等。
[0025]利用生物质作为原料制备得到的生物质石墨烯中，由于原料来自于植物，植物自身需要从土壤中吸收矿质元素，这些矿质元素在制备生物质石墨烯过程中得到了选择性的保留，矿质元素至少为?6、3丨^1，还可含有1(、恥、0&、1%、？、111和(:0中的一种或几种。
[0026]优选地，所述生物质石墨烯由生物质制备得到，优选所述生物质石墨烯由生物质纤维素制备得到。
[0027]优选地，所述生物质选自农林废弃物和/或植物中的任意I种或至少2种的组合。
[0028]优选地，所述植物为针叶木或阔叶木中的任意I种或至少2种的组合。
[0029]优选地，所述农林废弃物选自玉米杆、玉米芯、高粱杆、甜菜渣、甘蔗渣、糠醛渣、木糖渣、木肩、棉杆、果壳或芦苇中的任意I种或至少2种的组合。
[0030]优选地，所述农林废弃物为玉米芯。
[0031]除了上述对生物质的列举以外，本发明所述生物质可以是本领域技术人员能够获知的任何一种生物质资源，本发明不再继续赘述。
[0032]优选地，本发明所述纤维载体选自合成纤维、人造纤维或天然纤维中的任意I种或至少2种的组合。
[0033]天然纤维是自然界原有的或经人工培植的植物上、人工饲养的动物上直接取得的纺织纤维。自然界存在的天然纤维主要有，棉花，麻类，蚕丝和动物毛。其中棉花和麻类的分子成份主要是纤维素，而蚕丝和毛类的分子成份主要是蛋白质(呈聚酰胺高分子形式存在)。
[0034]人造纤维是用某些天然高分子化合物或其衍生物做原料，经溶解后制成纺织溶液，然后纺制成纤维，竹子、木材、甘蔗渣、棉子绒等都是制造人造纤维的原料。根据人造纤维的形状和用途，分为人造丝、人造棉和人造毛三种;重要品种有粘胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维等。
[0035]合成纤维是将人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶(或可熔)性的