一种具有光催化功能的熔喷布及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种具有光催化功能的熔喷布及其制备方法和应用 (Melt-blown fabric with photocatalysis function and preparation method and application thereof ) 是由 郑善 郑星 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有光催化功能的隔音熔喷布及其制备方法和应用。本发明的隔音熔喷布的制备方法为将聚丙烯熔融后进入熔喷设备中熔喷,利用牵引气流拉伸成纤维的过程中,同时将具有光催化杀菌效果的改性二氧化硅气凝胶粉体喷涂到喷出后的聚丙烯纤维表面,经冷却收集,即得所述具有光催化功能的隔音熔喷布。本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布的吸音效果好,通过在聚酯表面喷涂二氧化硅气凝胶粉体,利用二氧化硅气凝胶粉体的多孔特性,进一步拓宽吸音的频率范围,对低音频也能有好的吸收效果,从而提高隔音性能；而且改性二氧化硅气凝胶粉体具有光催化效果,可以有效去除空气中的VOCs等污染物,有利于人体健康。(The invention relates to sound-insulation melt-blown cloth with a photocatalytic function and a preparation method and application thereof. The preparation method of the sound-insulation melt-blown fabric comprises the steps of melting polypropylene, carrying out melt-blowing in melt-blowing equipment, stretching the melt-blown fabric into fibers by using traction airflow, spraying modified silicon dioxide aerogel powder with a photocatalytic sterilization effect on the surfaces of the sprayed polypropylene fibers, cooling and collecting to obtain the sound-insulation melt-blown fabric with the photocatalytic function. The sound-insulation melt-blown fabric with the photocatalytic function has a good sound-absorbing effect, and the sound-absorbing frequency range is further widened by spraying the silicon dioxide aerogel powder on the surface of the polyester and utilizing the porous characteristic of the silicon dioxide aerogel powder, so that the sound-absorbing effect on low-frequency sound can be good, and the sound-insulating property is improved; and the modified silica aerogel powder has a photocatalytic effect, can effectively remove pollutants such as VOCs in the air and is beneficial to human health.)
技术领域
本发明涉及熔喷布材料领域，进一步地说，是涉及一种具有光催化功能的熔喷布及其制备方法和应用。
背景技术
新冠病毒，导致社会对口罩以及防护服等的大量需求。然而，这些熔喷布材料都没有杀菌灭毒功能。导致造成一次性大量浪费和处理麻烦。已经成为城市环境的一大公害。
利用具有光催化功能的，用纳米二氧化钛改性的二氧化硅气凝胶粉体，通过在聚酯熔喷的过程中，粘接在熔喷丝的表面，以达到使熔喷丝具备，光催化杀灭病毒的作用。进而，做成的口罩、防护服、以及服装材料等，都具备了此项功能，这将对人类抗击传染病，以及节能减排，具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中出现的问题，本发明提出了一种具有光催化功能的隔音熔喷布及其制备方法和应用。本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布的吸音效果好，通过在聚酯表面喷涂二氧化硅气凝胶粉体，利用二氧化硅气凝胶粉体的多孔特性，进一步拓宽吸音的频率范围，本发明的目的之一是提供一种具有光催化功能的隔音熔喷布的制备方法，将聚丙烯熔融后进入熔喷设备中熔喷，同时将具有光催化杀菌效果的改性二氧化硅气凝胶粉体喷涂到喷出后的聚丙烯纤维表面，经冷却收集即得所述具有光催化功能的隔音熔喷布。
优选的，所述改性二氧化硅气凝胶粉体的平均孔径范围为12-25nm。
优选的，所述改性二氧化硅气凝胶粉体的平均粒径范围为4-8um，且最大粒径不超过10um。
优选的，所述牵引气流的气流速度为9000-11000m/min，所述牵引气流的气流温度为220℃，所述牵引气流的气流压力为0.12-0.15Mpa。
优选的，所述具有光催化功能的隔音熔喷布的面密度为20g/m2～50g/m2。
优选的，采用单螺杆挤出机挤出熔融，加热温度为210～240℃。
优选的，所述具有光催化功能的隔音熔喷布中二氧化硅气凝胶粉体的含量为1wt％-2wt％。
优选的，所述改性二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备硅源和溶剂的混合溶液
取模数为3.3的硅酸钠装入反应釜中，加入硅酸钠质量5倍的去离子水进行稀释，反应釜以300转/分钟的速度搅拌30分钟，经200目筛过滤，得到硅酸钠溶液；
（2）溶胶
取草酸，加水，浓度稀释至22 mol/L，在草酸中加入草酸铝和草酸钇，混合均匀后，以液下注入的方式加入至步骤（1）得到的硅酸钠溶液；整个加料时长控制在25分钟，搅拌速度为300转/分，控制硅酸钠溶液的pH值为2.5，得到溶胶；所述草酸铝和草酸钇以氧化物计，两者的摩尔比是100：4；草酸铝的氧化物和硅酸钠中氧化硅的摩尔比4：100；
（3）凝胶
取氢氧化钠或氨水，加入去离子水稀释至pH值为11，以喷淋的方式加入至反应釜中；喷淋的同时以1600转/分的速度对反应釜内的物料进行快速搅拌，当反应釜内物料的pH值为5.5时，终止喷淋，得到凝胶；
（4）老化
反应釜内以30转/分的速度继续搅拌10小时，对反应釜内的物料进行老化，控制反应釜内物料温度为18-22摄氏度；
（5）溶剂置换
在反应釜内进行持续搅拌90分钟，同时加入与步骤（4）反应釜内老化物料同体积的置换溶剂正己烷，以置换出剩余的水分；
（6）表面修饰
在反应釜内进行持续搅拌，同时继续加入与步骤（4）反应釜内老化物料同体积的偶联剂苯基三乙氧基硅烷；经过搅拌80分钟，得到包覆有置换溶剂正己烷和偶联剂苯基三乙氧基硅烷的硅气凝胶前驱体；
（7）干燥
将硅气凝胶前驱体放入干燥釜，在干燥釜内充入氮气赶氧，直至干燥釜内氧含量小于3%，然后对干燥釜内的物料进行微波真空干燥，微波时间70分钟，微波频率2450MHZ，干燥釜内负压0.1MPa，温度为100摄氏度，干燥后制得固态粉末状的硅气凝胶；
（8）改性
将二氧化硅气凝胶粉体浸泡于浓度为20wt%氨水中36h，制得二氧化硅气凝胶粉体的浸润液；二氧化硅气凝胶粉体与氨水的体积比为1:2；
在搅拌和超声条件下，将二氧化硅气凝胶粉体的浸润液滴加入浓度为6wt%的硫酸钛溶液中，反应20分钟；其中，搅拌转速控制在680转/分钟，超声振动的频率为30KHz，功率密度为0.4W/cm2；二氧化硅气凝胶粉体的浸润液与硫酸钛溶液的质量比为1:7；然后将体系的pH值为调节至8.5，继续反应60分钟；然后将所得浆料过滤、洗涤，使浆料的pH值为7.8，过滤至物料固含量45％后；加入300kg去离子水，同时加入0.25kg的浓度为50wt%的硝酸镧溶液，搅拌升温至78℃，喷加氨水调pH值7.5，加入双氧水25mL，搅拌反应30分钟；洗涤、过滤、至物料固含量42％，得到浆料；再将该浆料进行喷雾干燥，干燥进口温度280℃，出口温度110℃。然后进入管式振荡炉，炉内加热温度设到480℃，使包覆在气凝胶表面的氢氧化钛/镧转换成纳米级锐钛型氧化钛/镧，其中，所用喷雾干燥进口温度280℃，出口温度110℃；管式振荡烧结炉的倾斜角度为7℃，震动频率为360次/分钟；最终得到改性二氧化硅气凝胶粉体；即纳米氧化钛/镧固溶体复合的硅气凝胶颗粒。
优选的，步骤(1)-(3)中的物料反应温度为18-22摄氏度。
本发明的目的之二是提供本发明的目的之一的制备方法制备的具有光催化功能的隔音熔喷布。
本发明的目的之三是提供本发明的目的之二的具有光催化功能的隔音熔喷布的应用。
有益效果：
本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布不仅有更好的吸音效果，还能减轻具有光催化功能的隔音熔喷布的重量，以及提高具有光催化功能的隔音熔喷布的阻燃效果、杀菌效果。
本发明的所制备的改性二氧化硅气凝胶粉体，光催化性能良好，能够长效、强效的吸附分解空气中的VOCs、甲苯等气态污染物；
本发明的所制备的改性二氧化硅气凝胶粉体加入一定量的稀土氧化物，能够使纳米级氧化钛在较低的温度下较大量的实现锐钛晶型转化，同时促进增强纳米氧化钛的催化活性；本发明的使用的原料采购容易广泛，价格低，而且，工艺方法相对简单，易于实现产业化，生产成本低。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
实施例1
改性二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备硅源和溶剂的混合溶液
取模数为3.3的硅酸钠装入反应釜中，加入硅酸钠质量5倍的去离子水进行稀释，反应釜以300转/分钟的速度搅拌30分钟，经200目筛过滤，得到硅酸钠溶液；
（2）溶胶
取草酸，加水，浓度稀释至22 mol/L，在草酸中加入草酸铝和草酸钇，混合均匀后，以液下注入的方式加入至步骤（1）得到的硅酸钠溶液；整个加料时长控制在25分钟，搅拌速度为300转/分，控制硅酸钠溶液的pH值为2.5，得到溶胶；所述草酸铝和草酸钇以氧化物计，两者的摩尔比是100：4；草酸铝的氧化物和硅酸钠中氧化硅的摩尔比4：100；
（3）凝胶
取氢氧化钠或氨水，加入去离子水稀释至pH值为11，以喷淋的方式加入至反应釜中；喷淋的同时以1600转/分的速度对反应釜内的物料进行快速搅拌，当反应釜内物料的pH值为5.5时，终止喷淋，得到凝胶；
（4）老化
反应釜内以30转/分的速度继续搅拌10小时，对反应釜内的物料进行老化，控制反应釜内物料温度为18摄氏度；
（5）溶剂置换
在反应釜内进行持续搅拌90分钟，同时加入与步骤（4）反应釜内老化物料同体积的置换溶剂正己烷，以置换出剩余的水分；
（6）表面修饰
在反应釜内进行持续搅拌，同时继续加入与步骤（4）反应釜内老化物料同体积的偶联剂苯基三乙氧基硅烷；经过搅拌80分钟，得到包覆有置换溶剂正己烷和偶联剂苯基三乙氧基硅烷的硅气凝胶前驱体；
（7）干燥
将硅气凝胶前驱体放入干燥釜，在干燥釜内充入氮气赶氧，直至干燥釜内氧含量小于3%，然后对干燥釜内的物料进行微波真空干燥，微波时间70分钟，微波频率2450MHZ，干燥釜内负压0.1MPa，温度为100摄氏度，干燥后制得固态粉末状的硅气凝胶；
（8）改性
将二氧化硅气凝胶粉体浸泡于浓度为20wt%氨水中36h，制得二氧化硅气凝胶粉体的浸润液；二氧化硅气凝胶粉体与氨水的体积比为1:2；
在搅拌和超声条件下，将二氧化硅气凝胶粉体的浸润液滴加入浓度为6wt%的硫酸钛溶液中，反应20分钟；其中，搅拌转速控制在680转/分钟，超声振动的频率为30KHz，功率密度为0.4W/cm2；二氧化硅气凝胶粉体的浸润液与硫酸钛溶液的质量比为1:7；然后将体系的pH值为调节至8.5，继续反应60分钟；然后将所得浆料过滤、洗涤，使浆料的pH值为7.8，过滤至物料固含量45％后；加入300kg去离子水，同时加入0.25kg的浓度为50wt%的硝酸镧溶液，搅拌升温至78℃，喷加氨水调pH值7.5，加入双氧水25mL，搅拌反应30分钟；洗涤、过滤、至物料固含量42％，得到浆料；再将该浆料进行喷雾干燥，干燥进口温度280℃，出口温度110℃。然后进入管式振荡炉，炉内加热温度设到480℃，使包覆在气凝胶表面的氢氧化钛/镧转换成纳米级锐钛型氧化钛/镧，其中，所用喷雾干燥进口温度280℃，出口温度110℃；管式振荡烧结炉的倾斜角度为7℃，震动频率为360次/分钟；最终得到改性二氧化硅气凝胶粉体；即纳米氧化钛/镧固溶体复合的硅气凝胶颗粒。
上述制备方法中步骤(1)-(3)中的物料反应温度为18摄氏度。
经过上述制备方法制备的改性二氧化硅气凝胶粉体的平均孔径为18nm，然后将改性二氧化硅气凝胶粉体进行研磨，从而使改性二氧化硅气凝胶粉体的平均粒径为6um，且最大粒径不超过10um。
实施例2
其与实施例1的制备方法基本相同，区别在于实施例2中步骤(1)-(3)中的物料反应温度为22摄氏度，步骤（4）老化时，控制反应釜内物料温度为22摄氏度。
经过上述制备方法制备的改性二氧化硅气凝胶粉体的平均孔径为25nm，然后将改性二氧化硅气凝胶粉体进行研磨，从而使改性二氧化硅气凝胶粉体的平均粒径为8um，且最大粒径不超过10um。
实施例3
其与实施例1的制备方法基本相同，区别在于实施例2中步骤(1)-(3)中的物料反应温度为20摄氏度，步骤（4）老化时，控制反应釜内物料温度为20摄氏度。
经过上述制备方法制备的改性二氧化硅气凝胶粉体的平均孔径为20nm，然后将改性二氧化硅气凝胶粉体进行研磨，从而使改性二氧化硅气凝胶粉体的平均粒径为5um，且最大粒径不超过10um。
实施例1-3制备的改性二氧化硅气凝胶粉体在灯光下，24h杀灭大肠杆菌能力，≧95%，24h杀灭金黄葡萄球菌能力≧90%。
实施例4
一种具有光催化功能的隔音熔喷布的制备方法，将聚丙烯熔融后进入熔喷设备中熔喷，采用单螺杆挤出机挤出熔融，加热温度为210℃；同时将具有光催化杀菌效果的改性二氧化硅气凝胶粉体（采用实施例1制备的二氧化硅气凝胶粉体）喷涂到喷出后的聚丙烯纤维表面，其中，把二氧化硅气凝胶粉体装入安装在螺杆挤出机高速热空气流管道上的储料斗中，将聚酯在螺杆挤出机中按常规工艺熔融、挤出和在高速热空气流下牵引拉伸，同时利用高速热空气流所产生的负压作用使所述二氧化硅气凝胶粉体也进入高速热空气流中，并使其在模头喷嘴处均匀地黏附在热粘性熔喷纤维的表面，牵引气流的气流速度为10000m/min，所述牵引气流的气流温度为220℃，所述牵引气流的气流压力为0.12Mpa；随后冷却成型，收集（收集速度根据面密度需求可调），即可制成所述具有光催化功能的隔音熔喷布。
经过上述制备方法制备的具有光催化功能的隔音熔喷布中具有光催化功能的隔音熔喷布的面密度为20g/m2；具有光催化功能的隔音熔喷布含有二氧化硅气凝胶粉体的含量为1wt％。
实施例5
一种具有光催化功能的隔音熔喷布的制备方法，将聚丙烯熔融后进入熔喷设备中熔喷，采用单螺杆挤出机挤出熔融，加热温度为220℃；同时将具有光催化杀菌效果的改性二氧化硅气凝胶粉体（采用实施例1制备的二氧化硅气凝胶粉体）喷涂到喷出后的聚丙烯纤维表面，其中，把二氧化硅气凝胶粉体装入安装在螺杆挤出机高速热空气流管道上的储料斗中，将聚酯在螺杆挤出机中按常规工艺熔融、挤出和在高速热空气流下牵引拉伸，同时利用高速热空气流所产生的负压作用使所述二氧化硅气凝胶粉体也进入高速热空气流中，并使其在模头喷嘴处均匀地黏附在热粘性熔喷纤维的表面，牵引气流的气流速度为11000m/min，所述牵引气流的气流温度为220℃，所述牵引气流的气流压力为0.15Mpa；随后冷却成型，收集（收集速度根据面密度需求可调），即可制成所述具有光催化功能的隔音熔喷布。
经过上述制备方法制备的具有光催化功能的隔音熔喷布中具有光催化功能的隔音熔喷布的面密度为50g/m2；具有光催化功能的隔音熔喷布含有二氧化硅气凝胶粉体的含量为2wt％。
实施例6
一种具有光催化功能的隔音熔喷布的制备方法，将聚丙烯熔融后进入熔喷设备中熔喷，采用单螺杆挤出机挤出熔融，加热温度为235℃；同时将具有光催化杀菌效果的改性二氧化硅气凝胶粉体（采用实施例1制备的二氧化硅气凝胶粉体）喷涂到喷出后的聚丙烯纤维表面，其中，把二氧化硅气凝胶粉体装入安装在螺杆挤出机高速热空气流管道上的储料斗中，将聚酯在螺杆挤出机中按常规工艺熔融、挤出和在高速热空气流下牵引拉伸，同时利用高速热空气流所产生的负压作用使所述二氧化硅气凝胶粉体也进入高速热空气流中，并使其在模头喷嘴处均匀地黏附在热粘性熔喷纤维的表面，牵引气流的气流速度为10000m/min，所述牵引气流的气流温度为220℃，所述牵引气流的气流压力为0.14Mpa；随后冷却成型，收集（收集速度根据面密度需求可调），即可制成所述具有光催化功能的隔音熔喷布。
经过上述制备方法制备的具有光催化功能的隔音熔喷布中具有光催化功能的隔音熔喷布的面密度为40g/m2；具有光催化功能的隔音熔喷布含有二氧化硅气凝胶粉体的含量为1.5wt％。
实施例7
一种具有光催化功能的隔音熔喷布的制备方法，将聚丙烯熔融后进入熔喷设备中熔喷，采用单螺杆挤出机挤出熔融，加热温度为210℃；同时将具有光催化杀菌效果的改性二氧化硅气凝胶粉体（采用实施例1制备的二氧化硅气凝胶粉体）喷涂到喷出后的聚丙烯纤维表面，其中，把二氧化硅气凝胶粉体装入安装在螺杆挤出机高速热空气流管道上的储料斗中，将聚酯在螺杆挤出机中按常规工艺熔融、挤出和在高速热空气流下牵引拉伸，同时利用高速热空气流所产生的负压作用使所述二氧化硅气凝胶粉体也进入高速热空气流中，并使其在模头喷嘴处均匀地黏附在热粘性熔喷纤维的表面，牵引气流的气流速度为10500m/min，所述牵引气流的气流温度为220℃，所述牵引气流的气流压力为0.13Mpa；随后冷却成型，收集（收集速度根据面密度需求可调），即可制成所述具有光催化功能的隔音熔喷布。
经过上述制备方法制备的具有光催化功能的隔音熔喷布中具有光催化功能的隔音熔喷布的面密度为35g/m2；具有光催化功能的隔音熔喷布含有二氧化硅气凝胶粉体的含量为1.3wt％。
对比例1
其于实施例6具有光催化功能的隔音熔喷布的原料和制备工艺相同，区别仅在于，改性二氧化硅气凝胶粉体的平均孔径为60nm。经过上述制备方法制备的具有光催化功能的隔音熔喷布中具有光催化功能的隔音熔喷布的面密度为43g/m2
对比例2
其于实施例6具有光催化功能的隔音熔喷布的制备工艺相同，区别仅在于，使具有光催化功能的隔音熔喷布原料中不含二氧化硅气凝胶粉体，经过上述制备方法制备的具有光催化功能的隔音熔喷布中具有光催化功能的隔音熔喷布的面密度为65g/m2。
对比例3
其于实施例6具有光催化功能的隔音熔喷布的原料和制备工艺相同，区别仅在于，改性二氧化硅气凝胶粉体的平均粒径为25um。经过上述制备方法制备的具有光催化功能的隔音熔喷布中具有光催化功能的隔音熔喷布的面密度为55g/m2
将本发明实施例4-7和对比例1-3的具有光催化功能的隔音熔喷布进行阻燃效果和吸音效果测试。吸音效果的测试方法为GB/T18696 .2-2002，耐冲击次数是指采用冲击强度为5KJ/m2的冲击力去冲击隔音布，至具有光催化功能的隔音熔喷布出现严重掉粉时停止。
测试结果见如下表1所示，
表1具有光催化功能的隔音熔喷布的性能数据
通过上述数据的对比可以看出，本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布在低音频处的吸引效果明显提高。
本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布只有在合适的二氧化硅气凝胶粉体的孔径和粒径下，才能在聚酯纤维上牢固附着。
本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布相对于聚酯纤维，阻燃效果明显提高。
本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布相对于聚酯纤维，减重效果明显提高。
本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布相对于聚酯纤维，抑菌效果明显提高。
本发明的具有光催化功能的隔音熔喷布可以用在汽车内饰中，也可以用在地铁装饰等中。
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