CN110512411A - 利用无纺布废料制备磁性碳布的方法及其磁性碳布和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用无纺布废料制备磁性碳布的方法，包括以下步骤：分别称取氯化铁和过二硫酸钠，然后溶于水中，密封条件下搅拌至完全溶解，配制硫铁溶液；将无纺布浸入到硫铁溶液中，密封条件下，浸泡30~60分钟，然后取出无纺布晾干至其含水率为20%~40%；将得到的无纺布在微波保护气中进行微波活化；到达预设时间后，结束微波活化，冷却至室温后取出得到磁性碳布。本发明内容还包括该方法制备的磁性碳布及其应用。本发明通过铁离子和过二硫酸根强化无纺布废料碳化过程同时并在碳布表面生成并有效加载磁性铁氧体。本发明利用无纺布废料制备的磁性碳布的电阻率最低为1.37Ω•m，磁感应强度0.12mT。
Description
技术领域
本发明涉到无纺布废料资源化利用领域，尤其涉及利用无纺布废料制备磁性碳布的方法及其磁性碳布和应用。
背景技术
无纺布行业具有生产周期短、自动化程度高、产品受众广等特点。无纺布生产过程中会产生大量边角废料和其他废弃物。针对这些废料，行业内目前仍然没有形成高效合理的技术对其进行处置。除了少部分废料可回炉重新熔融外，大部分的废料目前主要以填埋和焚烧两种方式处置，废料利用附加值低。填埋过程中，无纺布中的染色剂易导致土壤和地下水造成污染。而应用焚烧技术处置无纺布废料则能耗过高。零废物排放和废物回收对无纺布行业具有重大意义，其不仅可以进一步降低无纺布生产成本，也可以有效提升废料附加值。以无纺布废料为前驱物制备碳布契合无纺布行业绿色发展方向。
然而使用传统气氛加高温的方式处置无纺布废料，所制备的碳化材料不仅灰份较高且导电性能和磁性能差。即使通过后期在无纺布制碳化材料表面加载一些金属氧化物可以一定程度上降低所烧制碳布的电阻率，然而后期加载不仅过程复杂且使得利用无纺布废料制作碳布的成本大大提升。
微波可以直接穿透物料进入其内部，对物料进行均衡地加热，利用水分子布朗运动机制显著缩短加热提温时间，可使得物料在厌氧条件下迅速碳化。以无纺布废料为前驱物，利用微波技术制作高性能、高附加值的碳布是解决上述问题的关键。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了一种利用无纺布废料制备磁性碳布的方法
本发明所要解决的第二个技术问题是提供了一种利用无纺布废料制备磁性碳布及其应用。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采取了如下的技术方案：一种利用无纺布废料制备磁性碳布的方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)分别称取氯化铁和过二硫酸钠，然后同时溶于水中，密封条件下搅拌至完全溶解，配制包括氯化铁和过二硫酸钠的硫铁溶液；
2)将无纺布浸入到步骤1)得到的硫铁溶液中，密封条件下，浸泡30～60分钟，然后取出无纺布晾干至其含水率为20％～40％；
3)将步骤3)得到的无纺布在微波保护气中进行微波活化；
4)到达预设微波处置时间后，结束微波活化，冷却至室温后取出得到磁性碳布。
其中，所述步骤1)氯化铁和过二硫酸钠中的铁离子与过二硫酸根摩尔比2～5∶1。
其中，所述步骤1)硫铁溶液中过二硫酸根浓度为0.01～0.05M。
其中，本发明的无纺布包括单不仅限于丙纶、涤纶、锦纶、粘胶纤维、腈纶、乙纶、氯纶无纺布等中的一种。
其中，所述步骤2)无纺布与硫铁溶液固液比为1∶1～2mg/mL。
其中，所述步骤3)中的微波保护气氛为氮气或氩气。
其中，所述步骤3)中的微波功率为600～900W，微波处置时间为30～120分钟。
本发明内容还包括所述的制备方法制备获得的磁性碳布。
其中，所述磁性碳布电阻率为1.37～1.94Ω·m，磁感应强度0.03～0.12mT。
本发明内容还包括磁性碳布在处理工业废水中的应用。
本发明内容还包括所述磁性碳布在制备渗透膜、电极材料、吸附材料方面的应用。
本发明的工作原理：在微波作用下，滞留在无纺布间隙中的水分子加剧运动产生大量的热，整个无纺布温度快速上升。在高温下，过二硫酸根首先分解产生硫酸根自由基。硫酸根自由基可以有效分解氧化无纺布中的色素，生成二氧化碳自由基。二氧化碳自由基将部分铁离子还原，生成亚铁离子。随着温度的持续升高，部分无纺布开始发生热裂解，实现逐渐脱氧碳化。在无纺布碳化过程中，无纺布表面产生腐蚀面可以促进裂解产生的挥发性有机物及铁离子的扩散。与此同时，铁离子、亚铁离子及无纺布中微量的重金属元素通过捕获挥发性有机物气体分子及吸收无纺布裂解脱附的氧原子，生成磁性铁氧体颗粒。挥发性有机物气体分子的及时捕获及氧原子的快速转移进一步提高了无纺布碳化速率。
有益效果：本发明制备操作过程简单，所用试剂来源广泛，可直接商业化推广。本发明通过铁离子和过二硫酸根强化无纺布废料碳化过程同时并在碳布表面生成并有效加载磁性铁氧体。本发明利用无纺布废料制备的磁性碳布的电阻率最低为1.37Ω·m，磁感应强度0.12mT。本发明不仅有效实现了无纺布废料的有效利用，也为磁性碳布的生产供了一种新思路。
附图说明
图1本发明一种利用无纺布废料制备磁性碳布的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的无纺布废料取至浙江湖州市南浔镇马腰工业园，无纺布废料中包括多种类型的无纺布，包括丙纶、涤纶、锦纶、粘胶纤维、腈纶、乙纶、氯纶无纺布等均在本发明的保护范围之内。
如图1所示，一种利用无纺布废料制备磁性碳布的方法流程图。
实施例1铁离子与过二硫酸根摩尔比对磁性碳布的电阻率和磁感应强度的影响
按照铁离子与过二硫酸根摩尔比1∶1、1.5∶1、1.8∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、5.2∶1、5.5∶1、6∶1分别称取氯化铁和过二硫酸钠，然后同时溶于水中，密封条件下搅拌至氯化铁和过二硫酸钠完全溶解，配制由氯化铁和过二硫酸钠构成的硫铁溶液。硫铁溶液中过二硫酸根浓度为0.01M。本实施例中无纺布采用的是丙纶无纺布，按照固体液体比1∶1mg/mL，将丙纶无纺布浸入到对应硫铁溶液中，密封条件下，浸泡30分钟，然后取出丙纶无纺布晾干至其含水率为20％。将丙纶无纺布进行微波活化，微波功率为600W，微波处置时间为30分钟，微波保护气氛为氮气或氩气。到达30分钟后，结束微波活化，冷却至室温后取出制备的磁性碳布。
电阻率和最大磁能积测定：制备的磁性碳布的电阻率参照国家标准《碳纤维体积电阻率的测定》(GBT 32993-2016)进行测定。制备的磁性碳布的磁感应强度参照纺织行业标准《纺织品磁性能的检测和评价》(FZ/T 01116-2012)进行测定。试验结果见表1。
表1铁离子与过二硫酸根摩尔比对磁性碳布的电阻率和磁感应强度的影响
由表1可看出，当铁离子与过二硫酸根摩尔比低于2∶1(如表1中，铁离子与过二硫酸根摩尔比＝1.8∶1、1.5∶1、1∶1时以及表1中未列举的更低比值)，铁离子含量较少，大部分铁离子被二氧化碳自由基还原生成亚铁离子，使得磁性铁氧体生成量较少，导致磁性碳布的电阻率均等于或高于1.81Ω·m，且随着铁离子与过二硫酸根摩尔比的减少逐渐增加，磁性碳布的磁感应强度均小于或等于0.02mT；当铁离子与过二硫酸根摩尔比等于2～5∶1(如表1中，铁离子与过二硫酸根摩尔比＝2∶1、3∶1、4∶1、5∶1时)，铁离子适量，部分铁离子被二氧化碳自由基还原生成亚铁离子，大量磁性铁氧体生成，导致磁性碳布的电阻率均等于或低于1.73Ω·m且随着铁离子与过二硫酸根摩尔比的增加逐渐降低，磁性碳布的磁感应强度均等于或高于0.04mT，且随着铁离子与过二硫酸根摩尔比的增加逐渐增加；当铁离子与过二硫酸根摩尔比高于5∶1(如表1中，铁离子与过二硫酸根摩尔比＝5.2∶1、5.5∶1、6∶1时以及表1中未列举的更高比值)，铁离子过量，磁性铁氧体生成量减少，而三氧化二铁生成量增加，导致磁性碳布的磁感应强度随着铁离子与过二硫酸根摩尔比的增加逐渐降低，而磁性碳布的电阻率随着铁离子与过二硫酸根摩尔比的增加变化不显著。因此，综合而言，结合效益与成本，当铁离子与过二硫酸根摩尔比等于2～5∶1时，最有利于降低磁性碳布的电阻率和提高磁感应强度。
实施例2硫铁溶液中过二硫酸根浓度对磁性碳布的电阻率和磁感应强度的影响
按照铁离子与过二硫酸根摩尔比5∶1分别称取氯化铁和过二硫酸钠，然后同时溶于水中，密封条件下搅拌至氯化铁和过二硫酸钠完全溶解，配制由氯化铁和过二硫酸钠构成的硫铁溶液。硫铁溶液中过二硫酸根浓度分别为0.005M、0.007M、0.009M、0.01M、0.03M、0.05M、0.052M、0.055M、0.06M。本实施例的无纺布是粘胶纤维无纺布，按照固体液体比1∶1.5mg/mL，将粘胶纤维无纺布浸入到对应硫铁溶液中，密封条件下，浸泡45分钟，然后取出粘胶纤维无纺布晾干至其含水率为30％。将粘胶纤维无纺布进行微波活化，微波功率为750W，微波处置时间为75分钟，微波保护气氛为氮气或氩气。到达75分钟后，结束微波活化，冷却至室温后取出制备的磁性碳布。
电阻率和最大磁能积的测定同实施例1。试验结果见表2。
表2硫铁溶液中过二硫酸根浓度对磁性碳布的电阻率和磁感应强度的影响
由表2可看出，当硫铁溶液中过二硫酸根浓度低于0.01M(如表2中，硫铁溶液中过二硫酸根浓度＝0.009M、0.007M、0.005M时以及表2中未列举的更低比值)，生成的硫酸根自由基较少，无纺布中的色素分解不彻底，腐蚀面较小，亚铁离子生成量较少，导致磁性碳布的电阻率均等于或高于1.66Ω·m且随着二硫酸根浓度减少逐渐增加，磁性碳布的磁感应强度均小于或等于0.05mT且随着二硫酸根浓度减少逐渐减少；当硫铁溶液中过二硫酸根浓度等于0.01～0.05M(如表2中，硫铁溶液中过二硫酸根浓度＝0.01M、0.03M、0.05M时)，生成的硫酸根自由基较多，无纺布中的色素分解彻底，腐蚀面较大，亚铁离子生成量较多，导致磁性碳布的电阻率均等于或低于1.57Ω·m，且随着二硫酸根浓度增加逐渐减少，磁性碳布的磁感应强度均大于或等于0.08mT，且随着二硫酸根浓度增加逐渐增加；当硫铁溶液中过二硫酸根浓度高于0.05M(如表2中，硫铁溶液中过二硫酸根浓度＝0.052M、0.055M、0.06M时以及表2中未列举的更高比值)，生成的硫酸根自由基充足，无纺布中的色素分解彻底，腐蚀面较大，亚铁离子生成量过多，使得磁性铁氧体产量减少，导致磁性碳布的电阻率均随着二硫酸根浓度增加变化不明显，磁性碳布的磁感应强度随着二硫酸根浓度增加逐渐减少。因此，综合而言，结合效益与成本，当硫铁溶液中过二硫酸根浓度等于0.01～0.05M时，最有利于降低磁性碳布的电阻率和提高磁感应强度。
实施例3微波功率对磁性碳布的电阻率和磁感应强度的影响
按照铁离子与过二硫酸根摩尔比5∶1分别称取氯化铁和过二硫酸钠，然后同时溶于水中，密封条件下搅拌至氯化铁和过二硫酸钠完全溶解，配制由氯化铁和过二硫酸钠构成的硫铁溶液。硫铁溶液中过二硫酸根浓度分别为0.05M。本实施例的无纺布为腈纶无纺布，按照固体液体比1∶2mg/mL，将腈纶无纺布浸入到对应硫铁溶液中，密封条件下，浸泡60分钟，然后取出腈纶无纺布晾干至其含水率为40％。将腈纶无纺布进行微波活化，微波功率为500W、550W、580W、600W、700W、800W、900W、920W、950W、1000W，微波处置时间为120分钟，微波保护气氛为氮气或氩气。到达120分钟后，结束微波活化，冷却至室温后取出制备的磁性碳布。
电阻率和最大磁能积的测定同实施例1。试验结果见表3。
表3微波功率对磁性碳布的电阻率和磁感应强度的影响
微波功率(W)
电阻率(Ω·m)
磁感应强度(mT)
500
1.78
0.03
550
1.65
0.05
580
1.58
0.06
600
1.49
0.09
700
1.46
0.1
800
1.42
0.11
900
1.38
0.12
920
1.38
0.12
950
1.37
0.12
1000
1.37
0.12
由表3可看出，当微波功率低于600W(如表3中，微波功率＝580W、550W、500W时以及表3中未列举的更低比值)，无纺布温度上升所需时间延长，使得过二硫酸根分解速率、二氧化碳自由基生成速率、铁离子还原速率及无纺布热裂解速率均减慢，导致磁性碳布的电阻率均等于或高于1.58Ω·m且随着微波功率减少逐渐增加，磁性碳布的磁感应强度均小于或等于0.06mT且随着微波功率减少逐渐减少；由表3可看出，当微波功率等于600～900W(如表3中，微波功率＝920W、950W、1000W时)，在微波作用下，滞留在无纺布间隙中的水分子加剧运动产生大量的热，整个无纺布温度快速上升。过二硫酸根分解速率、二氧化碳自由基生成速率、铁离子还原速率及无纺布热裂解速率均较快，导致磁性碳布的电阻率均等于或低于1.49Ω·m，且随着微波功率增加逐渐减少，磁性碳布的磁感应强度均大于或等于0.09mT，且随着微波功率增加逐渐增加；当微波功率高于900W(如表3中，微波功率＝920W、950W、1000W时以及表3中未列举的更高比值)，在微波作用下，滞留在无纺布间隙中的水分子加剧运动产生大量的热，整个无纺布温度快速上升。过二硫酸根分解速率、二氧化碳自由基生成速率、铁离子还原速率及无纺布热裂解速率均较快，然而磁性碳布的电阻率和磁感应强度均随着微波功率的增加变化不明显。因此，综合而言，结合效益与成本，当微波功率等于600～900W时，最有利于降低磁性碳布的电阻率和提高磁感应强度。