一种香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的制备方法及其用途与流程

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的制备方法，本发明还涉及上述方法制得的香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的用途。

背景技术：

据世界卫生组织预测，2025年全球烟民的人数将上升至17亿人。中国是世界上最大的香烟生产国家以及最大的香烟消费国家，据统计，中国的抽烟人数已经将近4亿左右，每年人数都在不断上升。这些废弃烟头对环境造成了很大的负面影响，因此对废弃烟头的回收利用有重要的应用价值。

废烟头的回收利用主要是指对过滤嘴以及里面所吸附的尼古丁、茄尼醇等物质的回收。过滤嘴的主要原材料为醋酸纤维，多用于纺织品的制造、板材、片材等。尼古丁又称烟碱，是烟草的主要成分，其化学式为c10h14n2，可溶于水、乙醇、氯仿、乙醚、油类，主要应用于医药与农作物的防虫害等方面。茄尼醇分子式为c45h74o，不溶于水，微溶于甲醇、乙醇，溶于丙酮、氯仿、己烷，其应用主要为医学、抗菌等领域。目前，我国对烟头的回收利用并不成熟，还没有真正的做到回收利用。一般来说，废烟头在回收利用的第一步就是对可回收物质的提取和分离，即对废弃烟头中含有的尼古丁和茄尼醇的回收，需要经过多次过滤，工艺虽简单但回收率并不高。

多孔材料是目前超级电容器电极材料的一个研究热点，其多孔性有利于离子的传输。石墨烯具有高比表面积，优异的导电性，其复合材料多用于电极材料。由于废烟头过滤嘴为多孔结构，里面残留氮元素等微量元素，其碳化产物中残留的氮元素具有提高电化学性能的作用。因此，将废烟头过滤嘴与石墨烯复合不仅可以直接回收废烟头，将其应用在储能领域也具有广泛的前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的制备方法，为香烟过滤嘴的回收利用提供了一种新方法。

本发明的另一目的是提供上述方法制得的香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的用途。

本发明所采用的技术方案是，一种香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的制备方法，将回收的香烟过滤嘴在氧化石墨烯-乙醇分散液中浸泡若干次，烘干，然后碳化，即得到香烟过滤嘴/石墨烯复合材料。

本发明的特点还在于，

回收的香烟过滤嘴为使用过的过滤嘴，其中含有烟丝燃烧后，被吸附产生的物质。

氧化石墨烯-乙醇分散液的浓度为0.2g/l～1g/l。

浸泡过程为：先将回收的香烟过滤嘴在氧化石墨烯-乙醇分散液中浸泡、静置，然后再次浸泡，此过程重复10～20次，每次浸泡时间为20～60s。

香烟过滤嘴与氧化石墨烯-乙醇分散液的质量体积比为0.01～0.15g/ml。

烘干温度为70～100℃，烘干时间为1～2h。

碳化具体为：将烘干的香烟过滤嘴放入管式炉中后，通入氮气，炉温升温至800℃～900℃后保温120～180min，待炉子冷却到室温关闭氮气。

升温速率10～20℃/min。

氮气流量为40～100sccm。

本发明所采用的另一技术方案是，采用一种香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的制备方法制得的香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的用途，用作超级电容器的电极材料。

本发明的有益效果是，本发明选取废烟头过滤嘴，由于烟头过滤嘴的材料为醋酸纤维，其高温碳化后成为碳材料。且具有多孔结构，利于离子的传输。废烟头过滤嘴中含有尼古丁等物质，也就是含有氮元素，对于吸附离子有很好的作用。将石墨烯与废弃烟头过滤嘴复合后，将废烟头过滤嘴的多孔结构与石墨烯高的比表面有效的结合，得到的复合材料多孔，且具有高的比表面，优异的导电性以及离子传输性。因此可用作超级电容器的电极材料。此外本发明还具有工艺简单、成本低、速度快的优点，可将废弃烟头直接回收利用，具有良好的环境效益与经济效益。

附图说明

图1是实施例1制备的香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的扫描电子显微镜图；

图2是实施例2制备的香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的扫描电子显微镜图；

图3是实施例3制备的香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种香烟过滤嘴/石墨烯复合材料的制备方法，首先将氧化石墨烯在乙醇溶液中超声分散，然后将回收的香烟过滤嘴加入石墨烯的乙醇溶液浸泡几次，在烘箱中烘干。最后将烘干的香烟过滤嘴放入管式炉中碳化，即得到香烟过滤嘴/石墨烯复合材料。

具体按照以下步骤实施：

步骤1，将氧化石墨烯分散在乙醇中，得到浓度为0.2g/l～1g/l的氧化石墨烯-乙醇分散液；

步骤2，按照香烟过滤嘴与分散液的质量体积比为0.01～0.15g/ml，将香烟过滤嘴在步骤1得到的分散液中浸泡20～60s，然后放置在培养皿上静置1～3min，再浸泡在氧化石墨烯的乙醇分散液中。此过程重复10～20次。然后在烘箱中烘干1～2h，烘干温度为70～100℃。

步骤3，将步骤2烘干后的香烟过滤嘴放入管式炉中后，通入氮气，流量为40～100sccm，炉温升温至800℃～900℃后保温120～180min，升温速率10～20℃/min，待炉子冷却到室温关闭氮气，得到香烟过滤嘴/石墨烯复合材料。

本发明选取废香烟过滤嘴，由于香烟过滤嘴的材料为醋酸纤维，其高温碳化后成为碳材料。且具有多孔结构，利于离子的传输。废香烟过滤嘴中含有尼古丁等物质，也就是含有氮元素，对于吸附离子有很好的作用。目前，石墨烯基复合材料多用于电极材料，因为其具有高的比表面和良好的导电性。将石墨烯与香烟过滤嘴复合后，将香烟过滤嘴的多孔结构与石墨烯高的比表面有效的结合，得到的材料有利于离子的传输。

本发明将氧化石墨烯在乙醇中超声分散，然后香烟过滤嘴在分散液中浸泡数次，通过控制氧化石墨烯在乙醇溶液中的浓度，使氧化石墨烯掺杂进废烟头的过滤嘴中。碳化后表现为该复合材料多孔，氧化石墨烯被热还原为石墨烯且掺杂在其中，并含有氮等微量元素。得到的材料多孔，且具有高的比表面、优异的导电性以及离子传输性。因此可用作超级电容器的电极材料。

本发明还具有的优点是工艺简单、成本低，速度快，可将废弃烟头直接回收利用，具有良好的环境效益与经济效益。

实施例1

将8mg石墨烯分散于40ml的乙醇中，超声分散30min。按照香烟过滤嘴与分散液的质量体积比为0.01g/ml，将废香烟过滤嘴在石墨烯的乙醇分散液中浸泡20s，然后捞出放置在培养皿上搁置3min。随后又浸泡在分散液中，此过程重复10次。将浸泡后的香烟过滤嘴在烘箱中烘干，温度为70℃，时间为2h。将烘干后的香烟过滤嘴放在坩埚中，在管式炉中碳化。首先通入氮气，流量为40sccm，炉温升温至800℃～820℃后保温180min，升温速率10～20℃/min，待炉子冷却到室温关闭氮气。得到的香烟过滤嘴/石墨烯复合材料sem图片如图1所示，可以清楚看到复合材料的多孔结构，由于石墨烯浓度低，在其表面不能明显发现石墨烯掺杂其中。

实施例2

将20mg石墨烯分散于40ml的乙醇中，超声分散30min。按照香烟过滤嘴与分散液的质量体积比为0.15g/ml，将废香烟过滤嘴在石墨烯的乙醇分散液中浸泡60s，然后捞出放置在培养皿上搁置3min。随后又浸泡在乙醇的分散液中，此过程重复15次。将浸泡后的香烟过滤嘴在烘箱中烘干，温度为100℃，时间为1h。将烘干后的香烟过滤嘴放在坩埚中，在管式炉中碳化。首先通入氮气，流量为70sccm，炉温升温至840℃～860℃后保温160min，升温速率10～20℃/min，待炉子冷却到室温关闭氮气。得到香烟过滤嘴/石墨烯复合材料sem图片如图2所示，可以清楚看出复合材料里有石墨烯片层掺杂，说明烟头抽滤嘴/石墨烯复合材料制备成功。

实施例3

将40mg石墨烯分散于40ml的乙醇中，超声分散30min。按照香烟过滤嘴与分散液的质量体积比为0.05g/ml，将废香烟过滤嘴在石墨烯的乙醇分散液中浸泡30s，然后捞出放置在培养皿上搁置2min。随后又浸泡在乙醇的分散液中，此过程重复20次。将浸泡后的香烟过滤嘴在烘箱中烘干，温度为85℃，时间为1.5h。将烘干后的香烟过滤嘴放在坩埚中，在管式炉中碳化。首先通入氮气，流量为100sccm，炉温升温至880℃～900℃后保温120min，升温速率10～20℃/min，待炉子冷却到室温关闭氮气。得到香烟过滤嘴/石墨烯复合材料sem图片如图3所示，可以看出掺杂的石墨烯片层很多，局部出现石墨烯片层的堆叠。

实施例4

将10mg石墨烯分散于40ml的乙醇中，超声分散30min。按照香烟过滤嘴与分散液的质量体积比为0.08g/ml，将废香烟过滤嘴在石墨烯的乙醇分散液中浸泡40s，然后捞出放置在培养皿上搁置2min。随后又浸泡在乙醇的分散液中，此过程重复13次。将浸泡后的香烟过滤嘴在烘箱中烘干，温度为75℃，时间为2h。将烘干后的香烟过滤嘴放在坩埚中，在管式炉中碳化。首先通入氮气，流量为55sccm，炉温升温至820℃～840℃后保温170min，升温速率10～20℃/min，待炉子冷却到室温关闭氮气。

实施例5

将32mg石墨烯分散于40ml的乙醇中，超声分散30min。按照香烟过滤嘴与分散液的质量体积比为0.12g/ml，将废香烟过滤嘴在石墨烯的乙醇分散液中浸泡50s，然后捞出放置在培养皿上搁置1min。随后又浸泡在乙醇的分散液中，此过程重复18次。将浸泡后的香烟过滤嘴在烘箱中烘干，温度为90℃，时间为1h。将烘干后的香烟过滤嘴放在坩埚中，在管式炉中碳化。首先通入氮气，流量为85sccm，炉温升温至860℃～880℃后保温140min，升温速率10～20℃/min，待炉子冷却到室温关闭氮气。