多孔石墨烯负载锰基净化滤芯及其制备方法与流程

本发明属于空气净化的技术领域，尤其涉及一种多孔石墨烯负载锰基净化滤芯及该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的制备方法。

背景技术：

随着社会的迅速发展和居民生活水平的提升，人们更加注重对家居环境的美化和设计，尤其看重对室内的装修和装饰。而在房屋装修时，家具、墙壁涂料、墙纸、地板等材料会持续性地向封闭的室内环境释放甲醛等有害物质，危害人体健康。因此，如何有效去除甲醛就显得格外的重要。

目前，常用去除甲醛等有害物质的方法主要有物理吸附法、光触媒法、化学固定法；但大多数方法只能短期控制，无法达到长期有效去除的目的。诸如，物理吸附法常用多孔吸附材料作为吸附剂，但当该吸附剂随着使用时间的延长，吸附甲醛等有害物质含量过大饱和后，容易向外释放已吸附的甲醛等有害物质，造成二次污染现象。光触媒法除甲醛等有害物质，其原理是活性炭将甲醛等有害气体吸附在其微孔中，纳米tio2在光照下，与空气中的氧气和水生成负离子和羟基自由基，可以将甲醛降解为无害的二氧化碳和水；虽然这种方法具有无二次污染的特点，但是确只能在光照条件下进行，大大限制了其推广使用。化学固定法，其利用化学试剂中和甲醛或者通过化学制剂封闭甲醛，阻止甲醛挥发的方法；但是，一般而言通过化学试剂中和的方法实行难度比较大，容易产生二次污染，而阻止甲醛挥发的方法则是治标不治本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多孔石墨烯负载锰基净化滤芯，旨在解决现有技术中的去除甲醛等有害物质方法存在饱和吸附后向外释放、分解时需外界条件辅助及化学处理带来二次污染的技术问题。

为实现上述目的，本发明的第一目在于提供一种多孔石墨烯负载锰基净化滤芯，包括滤芯本体；可选地，所述滤芯本体包括由多层复合结构层叠构成的片状滤纸，该片状滤纸由进风面至出风面方向依次包括效能层、过滤层及保护层，所述效能层为固载有锰基聚合物的石墨烯纤维材料制作而成。所述效能层的设置实现无需外界辅助条件即可对过滤空气中的甲醛等有害物质的吸附、分解，达到杀菌消毒及不二次污染的目的。

可选地，所述片状滤纸采用呈折叠至w状结构设置。该结构设计增大单位面积的吸附、过滤效能。

可选地，所述片状滤纸的层与层之间采用超声波热压的加工方式形成一体。

可选地，所述片状滤纸的定面和/或底面上胶，上胶后形成的胶线为呈w状设置的胶线。

可选地，还包括框体，该框体置于所述片状滤纸的侧面；所述片状滤纸以热熔胶的方式与所述框体进行无缝粘合。该结构设计起到强化所述片状滤纸的强度及便于该菌消毒净化滤芯安装的目的。

可选地，所述框体背离所述片状滤纸的一侧设有密封部件。该结构设计起到增强该菌消毒净化滤芯安装后的气密性。

本发明实施例提供的多孔石墨烯负载锰基净化滤芯中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：

1、通过置于该净化滤芯进风面的所述效能层，其通过石墨烯纤维材料与含有锰基聚合物成分的胶液之间的处理，使得锰基聚合物固载在的石墨烯纤维材料表面微孔结构内，实现对的过滤空气中的甲醛等有害物质进行捕捉、吸附，且内部分解矿化成二氧化碳与水，有效改善了现有净化滤芯仅有吸附功能，随着使用时间的延长易出现吸附饱和而向外释放甲醛等有害物质，及虽能分解甲醛等有害物质，但其必须需外界调节辅助带来的弊端；并且本发明的使用寿命得到大幅提升，具有潜在的市场经济价值，具有较强的推广功能。

2、所述过滤层采用hepa层，有效过滤汽车尾气、pm2.5及重金属等细小颗粒物，过滤效果达到97％以上，进一步强化该净化滤芯的过滤效能；另外，所述保护层采用拒水性纤维材料制作而成，保证防水分进入及较好的透气性，使用寿命长，且可进一步起到强化所述效能层的杀菌消毒效能。

本发明的第二目在于提供一种多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的制备方法，包括以下步骤：

s1：含有锰基催化物成分胶液的制备；

s2：含有石墨烯成分纤维材料的制备；

s3：将步骤s1得到的胶液中的锰基催化物成分固载至步骤s2得到的石墨烯成分纤维材料表面微孔结构内，制备出所述效能层；

s4：将所述杀效能层、所述过滤层及所述保护层按顺序层叠好，经超声波加工形成卷材，通过分条机裁切成所述片状滤纸所需的卷材规格，卷状所述片状滤纸w状结构通过无纺布折叠机的褶皱加工制成，制作出w状结构的所述片状滤纸；

s5：根据净化滤芯的具体外形结构，通过选择符合要求的定型模具及裁切模具从步骤s4得到的w状结构的所述片状滤纸中裁切得到具体大小的块状所述片状滤纸，在该块状所述片状滤纸的定面和/或底面上胶，得到具有预定折角参数且定型的块状所述片状滤纸；所述框架通过热熔胶粘附在该块状所述片状本体的周边，制作出所述滤芯本体。

可选地，步骤s1中，其具体制备过程如下：

s11：将高锰酸盐、铁盐、草酸盐和硝酸银按质量比为(1.6～5.6)：(1.6～5.6)：(1.6～5.6)：(1.6～5.6)加入到水中，搅拌混合均匀后在70℃～120℃温度进行时7h～14h水热反应，反应结束后自然冷却至室温，后用蒸馏水浸泡并搅拌，待产物沉降之后，将上层的水倒掉，反复操作多次，直到清洗之后的水没有颜色，然后将清洗好产物在50℃～150℃温度下干燥1h～10h，得到粉末状锰基氧化物；

s12：以teos为前驱物，氨水为催化剂，乙醇为溶剂，首先将teos与乙醇混合，然后加入氨水溶液搅拌混合加热反应，得到透明的sio2凝胶溶液，加热蒸发溶剂，得到sio2凝胶；

s13：将步骤s11得到的锰基氧化物加入水中，通过时长5min～30min的超声波处理使其均匀分散后，再加入步骤s12得到的sio2凝胶，搅拌分散均匀，得到含有锰基催化物成分的胶液；其中，锰基氧化物、水和sio2凝胶按质量比1：(0.5～3)：(1～4)进行配比。

可选地，步骤s2中，其具体制备过程如下：

s21：纤维材料为聚酯纤维材质，先将其在100℃～200℃下烘干1h～5h，取出后在沸水中蒸煮处理；

s22：将经步骤s21处理后的纤维材料置于活化液中，在搅拌、震荡或超声条件下进行活化反应，反应后取出纤维材料用蒸馏水洗涤并干燥；其中，活化液为含有氢氧化钠、氢氧化钾及碳酸钠中的一种或多种混合物的碱液，碱的混合物和水的质量份数比为(1～10):(90～99)；

s23：将氧化石墨烯粉末超声分散于去离子水中制得溶度为0.5mg/ml～3mg/ml氧化石墨烯悬浮液，将经步骤s22处理后的纤维材料浸渍于氧化石墨烯悬浮液，浸渍时间为20min～60min，并在40℃～70℃烘干2h～3h，重复该步骤5次～30次，得到含有石墨烯纤维材料。

可选地，步骤s3中，其具体制备过程如下：

s31：将步骤s2中得到的含有石墨烯成分纤维材料和步骤s1中得到的含有锰基催化物成分的胶液按质量份数比为1:50～1:200，在反应温度50℃～90℃，反应时间60min～100min的条件下进行搅拌、超声震荡下，进行固载反应；

s32：在步骤s31的固载反应后，在干燥温度30℃～50℃，干燥时间3h～8h条件下的进行干燥处理，即得所述效能层。

本发明实施例提供的多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的制备方法中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：

本发明的制备方法通过石墨烯纤维材料作为锰基催化物成分的载体先进行蒸煮处理、活化处理后再经氧化石墨烯悬浮液的浸渍，干燥后得到含有石墨烯纤维材料，再将含有石墨烯纤维材料浸泡置于含有锰基催化物成分的胶液，实现将锰基催化物成分牢牢固载在含有石墨烯纤维材料的表面微孔结构内，通过石墨烯负载锰基的结构体与甲醛等有害物质直接接触，实现对甲醛等有害物质进行捕捉、吸附，且内部分解矿化成二氧化碳与水。本发明的制备方法使得净化滤芯能迅速吸附甲醛等有害物质，降低催化发生所需要的条件，实现室温下降解甲醛等有害物质，具有稳定性强、杀菌消毒效果好、使用寿命长，无残留及无需等特点，解决现有净化滤芯仅有吸附功能，随着使用时间的延长易出现吸附饱和而向外释放甲醛等有害物质，及虽能分解甲醛等有害物质，但其必须需外界调节辅助带来的弊端，达到长效和彻底去除甲醛的目的，进一步强化该净化滤芯的杀菌消毒的过滤效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的分解结构图。

图3为本发明实施例提供的框体外侧粘附密封部件的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的片状滤纸横断面示意图；

图5为图2标示a的局部放大示意图；

图6为本发明提供的多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的制备方法流程图；

其中，图中各附图标记：

1-滤芯本体、11-片状滤纸、111-效能层、112-过滤层、113-保护层、12-框体、121-密封部件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明的一个实施例中，如图1～2所示，提供一种多孔石墨烯负载锰基净化滤芯，包括滤芯本体10。优选地，所述滤芯本体10包括由多层复合结构层叠构成的片状滤纸11，还包括框体12。具体地，所述框体12置于所述片状滤纸11的侧面，所述片状滤纸11以热熔胶的方式与所述框体12进行无缝粘合；通过所述框体12设置起到强化所述片状滤纸11的强度及便于该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯安装的目的，所述框体12增强了该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯产品的稳定性，大大加强了支撑硬度，不易变形，结实。具体实践中，该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯可运用汽车空调上，还会用在家用净化器上或者其他空气过滤设备上，根据不同产品结构所需，该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯可设计呈块状、筒状或者三角状等诸多结构，以便于吻合空气过滤设备所需。

如图3所示，所述框体12背离所述片状滤纸11的一侧设有密封部件121，起到增强该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯安装后的气密性。具体地，所述密封部件121可以是由海绵制成，也可以是由橡胶制成，用以密封所述框体12，防止空气由所述框体处泄露，以便提高该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的过滤效率和过滤精度。

如图4所示，所述片状滤纸11由进风面至出风面方向依次包括效能层111、过滤层112及保护层113，所述效能层111为固载有锰基催化物的石墨烯纤维材料制作而成，所述片状滤纸11的层与层之间采用超声波热压的加工方式形成一体，或者采用热熔胶的方式粘附形成一体。所述效能层111，其通过石墨烯纤维材料与含有锰基催化物成分的胶液之间的处理，使得锰基催化物固载在石墨烯纤维材料的表面微孔结构内，实现对过滤空气中的甲醛等有害物质进行捕捉、吸附，且内部分解矿化成二氧化碳与水，较现有净化滤芯仅有吸附功能，随着使用时间的延长易出现吸附饱和而向外释放甲醛等有害物质，及虽能分解甲醛等有害物质，但其必须需外界调节辅助存在的弊端，具有大幅改善现有净化滤芯性能的特点。

进一步地，所述过滤层采用hepa层，有效过滤汽车尾气、pm2.5及重金属等细小颗粒物，过滤效果达到97％以上，进一步强化该净化滤芯的过滤效能；另外，所述保护层采用拒水性纤维材料制作而成，保证防水分进入及较好的透气性，使用寿命长，且可进一步起到强化所述效能层111的杀菌消毒效能。

如图5所示，所述片状滤纸11采用呈折叠至w状结构设置。该结构设计大大增加了与空气的接触面积，能够更好的对空气中的有害物质进行过滤，并起到更为高效的抑菌作用，增大单位面积的吸附、过滤效能。更进一步地，为了使得折叠后所述片状纸层11能够较好的固定而不会沿着恢复其折叠前的形状伸展，及制作出符合净化滤芯具体的技术参数所需，通过在所述片状滤纸11的定面和/或底面上胶，上胶后形成的胶线为呈w状设置的胶线。

本发明的第二目在于提供一种多孔石墨烯负载锰基净化滤芯，如图6所示，通过石墨烯纤维材料作为锰基催化物成分的载体先进行蒸煮处理，活化处理，再经氧化石墨烯悬浮液的浸渍后，经干燥得到含有石墨烯纤维材料，再将含有石墨烯纤维材料浸泡置于含有锰基催化物成分的胶液，实现将锰基催化物成分牢牢固载在含有石墨烯纤维材料的表面微孔结构内；通过石墨烯负载锰基的结构体与甲醛等有害物质直接接触，实现对甲醛等有害物质进行捕捉、吸附，且内部分解矿化成二氧化碳与水。

制备方法一

本发明的多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的制备方法，包括以下步骤：

s1：含有锰基催化物成分胶液的制备；其具体制备过程为：

s11：称取2kg高锰酸钾、2kg高铁酸钾、3kg草酸钠和2kg硝酸银于反应釜中，并加入100l水于反应釜中，搅拌混合均匀后在90℃温度进行时10h水热反应，反应结束后自然冷却至室温，后用蒸馏水浸泡并搅拌，待产物沉降之后，将上层的水倒掉，反复操作多次，直到清洗之后的水没有颜色，然后将清洗好产物在120℃温度下干燥4h，得到粉末状锰基氧化物；

s12：以teos为前驱物，氨水为催化剂，乙醇为溶剂，首先将teos与乙醇混合，然后加入氨水溶液搅拌混合加热反应，得到透明的sio2凝胶溶液，加热蒸发溶剂，得到sio2凝胶；该制备的具体过程：首先将teos和适量的乙醇混合加入500ml带有磨口塞的三颈锥圆底烧瓶中，温和搅拌2min，让teos与乙醇充分混合，然后将适量的去离子水和氨水混合，磁力搅拌1min，使氨水和去离子水混合均匀，将混合液快速地加入到teos与乙醇反应液中，强烈搅拌2min后，再恒温加热磁力油浴锅，温和搅拌10h，即可制得透明的sio2凝胶溶液，将所得sio2凝胶溶液加入蒸发溶剂得到sio2凝胶；

s13：将锰基氧化物、水和sio2凝胶按质量比为1：1：2进行称取备用；先将备用的锰基氧化物加入备用的水中，通过时长15min的超声波处理使其均匀分散后，再加入备用的sio2凝胶，搅拌分散均匀，得到含有锰基催化物成分的胶液。

s2：含有石墨烯成分纤维材料的制备；其具体制备过程为：

s21：纤维材料为聚酯纤维材质，先将其在150℃下烘干2.5h，取出后在沸水中蒸煮处理；

s22：将经步骤s21处理后的纤维材料置于活化液中，在搅拌、震荡或超声条件下进行活化反应，反应后取出纤维材料用蒸馏水洗涤并干燥；其中，活化液为含有氢氧化钠，碱的混合物和水的质量份数比为5:95；

s23：将氧化石墨烯粉末超声分散于去离子水中制得溶度为1.5mg/ml氧化石墨烯悬浮液，将经步骤s22处理后的纤维材料浸渍于氧化石墨烯悬浮液，浸渍时间为50min，并在50℃烘干2.5h，并经多次重复该步骤，得到含有石墨烯纤维材料。

s3：将步骤s1得到的胶液中的锰基催化物成分固载至步骤s2得到的石墨烯成分纤维材料表面微孔结构内，制备出所述效能层；其具体制备过程为：

s31：将步骤s2中得到的含有石墨烯成分纤维材料和步骤s1中得到的含有锰基催化物成分的胶液按质量份数比为1:150，在反应温度70℃，反应时间80min的条件下进行搅拌、超声震荡下，进行固载反应；

s32：在步骤s31的固载反应后，在干燥温度50℃，干燥时间4h条件下的进行干燥处理，即得所述效能层。

s4：将所述杀效能层、所述过滤层及所述保护层按顺序层叠好，经超声波加工形成卷材，通过分条机裁切成所述片状滤纸所需的卷材规格，卷状所述片状滤纸w状结构通过无纺布折叠机的褶皱加工制成，制作出w状结构的所述片状滤纸；

s5：根据净化滤芯的具体外形结构，通过选择符合要求的定型模具及裁切模具从步骤s4得到的w状结构的所述片状滤纸中裁切得到具体大小的块状所述片状滤纸，在该块状所述片状滤纸的定面和/或底面上胶，得到具有预定折角参数且定型的块状所述片状滤纸；所述框架通过热熔胶粘附在该块状所述片状本体的周边，制作出所述滤芯本体。

通过将甲醛发生器置于20m³密闭空间内，甲醛发生器打开，且至少释放甲醛等有害物质的时间再24h以上；然后将该制备方法得到的所述滤芯本体放置在密闭空间内，待吸附时间12h后，通过甲醛测试仪测试甲醛等有害物质在密闭空间内含量仅为0.06％，表明该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯具有高效的空气杀菌消毒性能。

制备方法二

本发明的多孔石墨烯负载锰基净化滤芯的制备方法，包括以下步骤：

s1：含有锰基催化物成分胶液的制备；其具体制备过程为：

s11：称取4kg高锰酸钾、4kg高铁酸钾、5kg草酸钠和4kg硝酸银于反应釜中，并加入100l水于反应釜中，搅拌混合均匀后在120℃温度进行时8h水热反应，反应结束后自然冷却至室温，后用蒸馏水浸泡并搅拌，待产物沉降之后，将上层的水倒掉，反复操作多次，直到清洗之后的水没有颜色，然后将清洗好产物在60℃温度下干燥7h，得到粉末状锰基氧化物；

s12：以teos为前驱物，氨水为催化剂，乙醇为溶剂，首先将teos与乙醇混合，然后加入氨水溶液搅拌混合加热反应，得到透明的sio2凝胶溶液，加热蒸发溶剂，得到sio2凝胶；该制备的具体过程：首先将teos和适量的乙醇混合加入500ml带有磨口塞的三颈锥圆底烧瓶中，温和搅拌2min，让teos与乙醇充分混合，然后将适量的去离子水和氨水混合，磁力搅拌1min，使氨水和去离子水混合均匀，将混合液快速地加入到teos与乙醇反应液中，强烈搅拌2min后，再恒温加热磁力油浴锅，温和搅拌10h，即可制得透明的sio2凝胶溶液，将所得sio2凝胶溶液加热蒸发溶剂得到sio2凝胶；

s13：将锰基氧化物、水和sio2凝胶按质量比为1：3：4进行称取备用；先将备用的锰基氧化物加入备用的水中，通过时长30min的超声波处理使其均匀分散后，再加入备用的sio2凝胶，搅拌分散均匀，得到含有锰基催化物成分的胶液。

s2：含有石墨烯成分纤维材料的制备；其具体制备过程为：

s21：纤维材料为聚酯纤维材质，先将其在180℃下烘干2h，取出后在沸水中蒸煮处理；

s22：将经步骤s21处理后的纤维材料置于活化液中，在搅拌、震荡或超声条件下进行活化反应，反应后取出纤维材料用蒸馏水洗涤并干燥；其中，活化液为含有氢氧化钾，碱的混合物和水的质量份数比为10:90；

s23：将氧化石墨烯粉末超声分散于去离子水中制得溶度为2.5mg/ml氧化石墨烯悬浮液，将经步骤s22处理后的纤维材料浸渍于氧化石墨烯悬浮液，浸渍时间为60min，并在40℃烘干3h，并经多次重复该步骤，得到含有石墨烯纤维材料。

s3：将步骤s1得到的胶液中的锰基催化物成分固载至步骤s2得到的石墨烯成分纤维材料表面微孔结构内，制备出所述效能层；其具体制备过程为：

s31：将步骤s2中得到的含有石墨烯成分纤维材料和步骤s1中得到的含有锰基催化物成分的胶液按质量份数比为1:100，在反应温度50℃，反应时间100min的条件下进行搅拌、超声震荡下，进行固载反应；

s32：在步骤s31的固载反应后，在干燥温度50℃，干燥时间4h条件下的进行干燥处理，即得所述效能层。

s4：将所述杀效能层、所述过滤层及所述保护层按顺序层叠好，经超声波加工形成卷材，通过分条机裁切成所述片状滤纸所需的卷材规格，卷状所述片状滤纸w状结构通过无纺布折叠机的褶皱加工制成，制作出w状结构的所述片状滤纸。

s5：根据净化滤芯的具体外形结构，通过选择符合要求的定型模具及裁切模具从步骤s4得到的w状结构的所述片状滤纸中裁切得到具体大小的块状所述片状滤纸，在该块状所述片状滤纸的定面和/或底面上胶，得到具有预定折角参数且定型的块状所述片状滤纸；所述框架通过热熔胶粘附在该块状所述片状本体的周边，制作出所述滤芯本体。

通过将甲醛发生器置于20m³密闭空间内，甲醛发生器打开，且至少释放甲醛等有害物质的时间再24h以上；然后将该制备方法得到的所述滤芯本体放置在密闭空间内，待吸附时间10h后，通过甲醛测试仪测试甲醛等有害物质在密闭空间内含量仅为0.08％，表明该多孔石墨烯负载锰基净化滤芯具有高效的空气杀菌消毒性能。

本发明的制备方法使得净化滤芯能迅速吸附甲醛等有害物质，降低催化发生所需要的条件，实现室温下降解甲醛等有害物质，具有稳定性强、杀菌消毒效果好、使用寿命长，无残留及无需等特点，解决现有净化滤芯仅有吸附功能，随着使用时间的延长易出现吸附饱和而向外释放甲醛等有害物质，及虽能分解甲醛等有害物质，但其必须需外界调节辅助带来的弊端，达到长效和彻底去除甲醛的目的，进一步强化该净化滤芯的杀菌消毒的过滤效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。