一種復合纖維、及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發明屬于功能性纖維制備領域，具體涉及一種具有吸附功能的復合纖維、及其制備方法和用途，特別涉及一種包覆有石墨烯氣凝膠的復合纖維、及其制備方法和用途。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由單層sP2雜化碳原子組成的蜂窩狀結構的二維材料，具有許多優異的性能。自從2004年被發現起，石墨烯就成為了科學界的一大研究熱點。石墨烯的理論比表面積高達2600m2/g，具有良好的導熱性和力學性能。氣凝膠，是一種超低密度、大孔體積、高比表面積的納米多孔固態材料，這些特征都歸因其納米顆粒相連所構成的三維網狀結構。石墨烯氣凝膠繼承了石墨烯和氣凝膠高比表面積、高孔隙率、高導電率以及良好的熱導率等優點。
[0003]CN104815630A發明了一種選擇性吸附苯并芘和苯酚的濾嘴纖維的制備方法，其是將氧化石墨烯噴涂到纖維表面。該方法指示將氧化石墨烯簡單修飾到纖維表面，無法避免氧化石墨烯的自身團聚作用，因此無法完全體現石墨烯的高吸附特性。
[0004]CN102674315A公開了一種石墨烯-碳納米管復合全碳超輕彈性氣凝膠及其制備方法，所述石墨烯-碳納米管復合全碳超輕彈性氣凝膠屬于自支撐的氣凝膠，具有機械強度低的問題。
[0005]所謂“自支撐的氣凝膠”是指在氣凝膠內部沒有其他成分來支撐氣凝膠，僅靠氣凝膠自身的框架來起到支撐作用。而對于自支撐的石墨烯氣凝膠，其很容易塌陷，影響使用。
[0006]CN105130380A公開了一種石墨烯-氧化鋯纖維復合氣凝膠的制備方法，該石墨烯-氧化鋯纖維復合氣凝膠是石墨烯與纖維形成復合體，在石墨烯氣凝膠宏觀體中，分布較多的纖維作為骨架，而并非是單根纖維表面形成表面形成氣凝膠。屬于較大體積的石墨烯氣凝膠。
[0007]當石墨烯氣凝膠用于吸附領域時，對于較大體積的石墨烯氣凝膠而言，當待吸附物質被石墨烯氣凝膠吸附一段時間后，表面的納米孔被待吸附物質填滿，形成障礙層，出現自身表面屏蔽作用，而待吸附物無法進一步到達石墨烯氣凝膠的內部，造成吸附速率低，石墨烯氣凝膠單位體積的吸附能力有限，石墨烯氣凝膠的利用率低的問題。
[0008]稠環芳經(PAHs，polycyclic aromatic hydrocarbon)是指具有兩個或兩個以上苯環的一類有機化合物。稠環芳烴是分子中含有兩個以上苯環的碳氫化合物，包括萘、蒽、菲、芘等150余種化合物。有些多環芳烴還含有氮、硫和環戊烷，常見的多環芳烴具有致癌作用的多環芳烴多為四到六環的稠環化合物。國際癌研究中心(IARC)(1976年)列出的94種對實驗動物致癌的化合物中15種屬于多環芳烴，由于苯并a芘是第一個被發現的環境化學致癌物，而且致癌性很強，故常以苯并(α)芘作為多環芳的代表，它占全部致癌性多環芳烴1%
?20% ο
[0009]苯并芘又稱苯并(α)芘(BaP)，是一種常見的高活性間接致癌物和突變原。3，4_苯并芘釋放到大氣中以后，總是和大氣中各種類型微粒所形成的氣溶膠結合在一起，在8μπι以下的可吸入塵粒中，吸入肺部的比率較高，經呼吸道吸入肺部，進入肺泡甚至血液，導致肺癌和心血管疾病，是多環芳烴中毒性最大的一種強烈致癌物，空氣中的BaP是導致肺癌的最重要的因素之一。
[0010]吸煙過程即是一個最為常見的人體直接接觸苯并芘吸附顆粒的過程。此外，食用油在加工和油炸食品烹調過程中溫度過高也會產生該類致癌物質。而該類場合如果使用基于多孔吸附原理制備的吸附劑，一方面確保吸附高效性，另一方面無法實現目標物的選擇性吸附，進而不能滿足特定場合的使用要求。因此，開發一種具有PAHs類物質特異性吸附功能的材料尤為必要。
[0011]石墨烯是一種由碳原子通過sP2雜化軌道成鍵而成，具有六邊形蜂窩狀晶格結構的二維原子晶體材料，其獨特而完美的結構使其具有優異的吸附及催化降解特性。石墨烯和以苯并芘為代表的PAHs類物質具有相似的化學結構，最新的研究表明，石墨烯與碳納米管一樣具有清除自由基的功能，這歸因于此類納米碳材料分子中存在很大的η共軛結構，同時該共軛結構決定了石墨烯與多環芳烴類物質如苯并芘具有很強的J1-Ji鍵相互作用，這就為石墨烯作為PAHs類物質如苯并芘特異性吸附材料提供了理論基礎。
[0012]因此，本領域需要開發一種單位體積的吸附能力較高的石墨烯氣凝膠產品，其吸附速率高，石墨烯氣凝膠的利用率高，且具有一定的機械強度，不會塌陷。
【發明內容】
[0013]針對現有技術中，石墨烯氣凝膠自身表面屏蔽作用導致的吸附速率低，單位體積的吸附能力有限，以及石墨烯氣凝膠容易塌陷的缺陷，本發明目的之一是提供了一種復合纖維，所述復合纖維包括纖維載體，及包覆在所述纖維載體表面的石墨烯氣凝膠層。
[0014]本發明所述“表面”還可以理解為外側、外層、外表面等。
[0015]本發明通過在纖維表面沉積石墨烯氣凝膠得到復合纖維，保留了石墨烯氣凝膠大比表面積的特性，又通過纖維骨架賦予了氣凝膠吸附層較高的強度，實現了氣凝膠產品的重復利用；此外，在纖維上沉積的石墨烯氣凝膠受限于纖維直徑，不可能達到特別高的厚度，為薄層石墨烯氣凝膠，這種薄層石墨烯氣凝膠可以減弱現有技術中自支撐氣凝膠產品的自身表面屏蔽作用，減少傳質過程，大大提高傳質速率。
[0016]本發明所述“纖維載體”為本領域能夠獲知的任何一種常規纖維，其是石墨烯氣凝膠的支撐骨架，同時起到限制石墨烯氣凝膠厚度的作用，所述“纖維載體”也可以稱為純纖維絲、純纖維、未復合纖維或纖維本體等。
[0017]本發明所述“石墨烯氣凝膠”還可稱為三維石墨烯、石墨烯海綿、石墨烯宏觀體或石墨烯泡沫。
[0018]優選地，所述復合纖維還包括設置于纖維載體與石墨烯氣凝膠層之間的石墨烯層。
[0019]優選地，所述石墨烯氣凝膠層和石墨烯層的石墨烯為生物質石墨烯。
[0020]層數多于10層，厚度在10nm以內碳的六元環蜂窩狀片層結構，稱為石墨稀納米片層；以生物質為碳源制備的層數多于10層，厚度在10nm以內碳的六元環蜂窩狀片層結構，稱為生物質石墨烯納米片層;層數為I?10層碳的六元環蜂窩狀片層結構，稱為石墨烯；以生物質為碳源制備的層數為I?10層碳的六元環蜂窩狀片層結構，稱為生物質石墨烯。[0021 ] 本發明所述石墨稀包括石墨稀納米片層和石墨稀，進一步包括生物質石墨稀納米片層和生物質石墨稀。
[0022]本發明所述的石墨烯可商購獲得，也可以通過不同制備方法得到，例如機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉淀法，石墨氧化還原法，還可以是通過對生物質資源水熱碳化法，以及現有技術中其他方法制備的石墨烯。但是，無論哪種方法都很難實現大規模制備得到嚴格意義理論上的石墨烯，例如現有技術制備得到的石墨烯中會存在某些雜質元素、碳元素的其他同素異形體或層數非單層甚至多層的石墨烯結構(例如3層、5層、10層、20層等)，本發明所利用的石墨烯也包括上述非嚴格意義理論上的石墨烯。
[0023]對于上述的“其它元素”:
[0024]利用石墨礦為原料制備得到的石墨烯中，可能含有石墨礦中自身存在的某些礦質元素，例如S1、Al等。
[0025]利用生物質作為原料制備得到的生物質石墨烯中，由于原料來自于植物，植物自身需要從土壤中吸收礦質元素，這些礦質元素在制備生物質石墨烯過程中得到了選擇性的保留，礦質元素至少為?6、3丨^1，還可含有1(、恥、0&、1%、？、111和(:0中的一種或幾種。
[0026]優選地，所述生物質石墨烯由生物質制備得到，優選所述生物質石墨烯由生物質纖維素制備得到。
[0027]優選地，所述生物質選自農林廢棄物和/或植物中的任意I種或至少2種的組合。
[0028]優選地，所述植物為針葉木或闊葉木中的任意I種或至少2種的組合。
[0029]優選地，所述農林廢棄物選自玉米桿、玉米芯、高粱桿、甜菜渣、甘蔗渣、糠醛渣、木糖渣、木肩、棉桿、果殼或蘆葦中的任意I種或至少2種的組合。
[0030]優選地，所述農林廢棄物為玉米芯。
[0031]除了上述對生物質的列舉以外，本發明所述生物質可以是本領域技術人員能夠獲知的任何一種生物質資源，本發明不再繼續贅述。
[0032]優選地，本發明所述纖維載體選自合成纖維、人造纖維或天然纖維中的任意I種或至少2種的組合。
[0033]天然纖維是自然界原有的或經人工培植的植物上、人工飼養的動物上直接取得的紡織纖維。自然界存在的天然纖維主要有，棉花，麻類，蠶絲和動物毛。其中棉花和麻類的分子成份主要是纖維素，而蠶絲和毛類的分子成份主要是蛋白質(呈聚酰胺高分子形式存在)。
[0034]人造纖維是用某些天然高分子化合物或其衍生物做原料，經溶解后制成紡織溶液，然后紡制成纖維，竹子、木材、甘蔗渣、棉子絨等都是制造人造纖維的原料。根據人造纖維的形狀和用途，分為人造絲、人造棉和人造毛三種;重要品種有粘膠纖維、醋酸纖維、銅氨纖維等。
[0035]合成纖維是將人工合成的、具有適宜分子量并具有可溶(或可熔)性的