一种高效吸附VOCs的氮掺杂生物炭制备方法、应用及分层枕头

本发明涉及床上用品领域，尤其涉及一种高效吸附vocs的氮掺杂生物炭制备方法、应用及分层枕头。

背景技术：

1、随着社会的进步和生活水平的提高，人们对家居生活质量的要求越来越高，家装市场也因此得到迅速发展。然而，随着家装材料和家具的多样化，室内环境污染问题也逐渐显露，尤其是挥发性有机化合物(vocs)的污染引起了公众的广泛关注。vocs，包括甲醛、二甲苯等有害气体，会对人体健康构成严重威胁，包括影响呼吸系统、神经系统等。

2、考虑到人们大约有1/3的时间在睡眠中度过，睡眠质量的好坏直接关系到生活和工作效率，因此，优化睡眠环境的需求日益迫切。作为睡眠过程中不可或缺的配件，枕头对提高睡眠品质尤为关键。

3、为解决上述室内vocs污染问题，同时保证睡眠舒适度，急需设计出一种可高效吸附vocs，同时保证睡眠舒适度的枕头材料。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种高效吸附vocs的氮掺杂生物炭制备方法、应用及分层枕头，将本发明氮掺杂生物炭材料封装于高分子水凝胶，并用于枕头枕芯材料，不仅能实现对空气中vocs的高效吸附，还能确保枕头的软硬适中和良好支撑性，为使用者提供一个更加健康、安全的睡眠环境。

2、本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

3、一种高效吸附vocs的氮掺杂生物炭制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将莲杆干燥至恒重，然后研磨并过筛，所得粉末用作生物炭前体；

5、(2)将生物炭前体和磷酸铵app混合，然后在n2气氛下的管式炉中升温至目标空气预氧化温度400～600℃；达到目标温度后，入口气体从n2切换至空气，并保温1.5～2.5h；

6、(3)预氧化处理后，将所得混合物在n2气氛下进一步热解，加热至600～800℃，并在该温度下保持1.5～2.5h。

7、作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)中，干燥温度为105℃，研磨过筛规格为<0.2mm。

8、作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)中，生物炭前体和磷酸铵app按质量比1：1混合，然后在n2气氛下的管式炉中以10℃/min的升温速率升温至目标空气预氧化温度。

9、作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)中，以5℃/min的加热速率流动至600～800℃。

10、一种上述高效吸附vocs的氮掺杂生物炭制备方法的应用，利用水凝胶作为载体，将所述氮掺杂生物炭制成为生物炭-水凝胶，用作枕头的枕芯材料。

11、一种生物炭-水凝胶，包括如下重量份数的原料：聚乙烯醇pva 5～20份，硼砂2～10份，氮掺杂生物炭20～40份，去离子水60～80份；其中，所述氮掺杂生物炭采用上述高效吸附vocs的氮掺杂生物炭制备方法制得。

12、作为本发明的优选方式之一，所述生物炭-水凝胶的制备方法如下：

13、(1)将pva粉末加入到预先加热至95℃的去离子水中，使用磁力搅拌器搅拌3～4h，得pva溶液；

14、(2)将硼砂加入到去离子水中，使用磁力搅拌器搅拌0.5～1h，得硼砂溶液；

15、(3)将硼砂溶液加入到pva溶液中，边加入边搅拌；搅拌均匀后，溶液中形成交联结构，得pva-硼砂交联体系；

16、(4)将80～150目的氮掺杂生物炭加入到步骤(3)所得的pva-硼砂交联体系中，将混合溶液倒入模具中，静置1～2h后自然冷却，形成目标所需的生物炭-水凝胶。

17、一种氮掺杂生物炭基记忆绵发泡材料，制备方法如下：

18、取上述方法制得的氮掺杂生物炭，将其与发泡制剂混合发泡，最终制得目标所需的生物炭记忆发泡海绵材料；其中，添加的氮掺杂生物炭与发泡制剂的重量比为(1～20)：90；所述发泡制剂包括如下重量份数的原料：聚酯多元醇10份，聚醚多元醇1621 30份，慢回弹聚醚多元醇307 10份，聚醚多元醇3630 5份，蒸馏水2份，泡沫稳定剂1份，抗氧化剂0.5份，催化剂1份，表面活性剂0.5份，二苯基甲烷二异氰酸酯mdi 30份。

19、作为本发明的优选方式之一，所述发泡制剂中：聚酯多元醇的羟基值为122mgkoh/g，聚醚多元醇1621的羟值为42mg koh/mg，慢回弹聚醚多元醇307的羟值为240mg koh/mg，聚醚多元醇3630的羟值为24.5mg koh/mg。

20、作为本发明的优选方式之一，所述发泡制剂中：化学发泡剂为蒸馏水；泡沫稳定剂由质量百分比20％的开孔硅油匀泡剂si1(bl-580)与80％的闭孔硅油si2(ba-7810)组成；抗氧化剂为苯并三唑；催化剂由三乙胺、三乙醇胺、双(二甲基胺基乙基)醚(质量比＝4：3：3)组成；表面活性剂为聚醚聚硅氧烷共聚物。

21、一种生物炭-水凝胶基分层枕，自内而外依次包括记忆绵支撑层、水凝胶层、乳胶层以及用于容纳所述记忆绵支撑层、水凝胶层、乳胶层的枕套；

22、所述记忆绵支撑层包括颈部支撑柱一、颈部支撑柱二和头部支撑块，所述头部支撑块包括支撑座以及可拆卸安装在所述支撑座上的多个可更换支撑柱，所述颈部支撑柱一、颈部支撑柱二和可更换支撑柱均采用氮掺杂生物炭基记忆绵材质；其中，所述氮掺杂生物炭基记忆绵材质采用上述氮掺杂生物炭基记忆绵发泡材料；

23、所述水凝胶层包括可拆卸式布置在所述记忆绵支撑层外周的基础水凝胶结构以及设置在所述基础水凝胶结构上表面的生物炭-水凝胶凸起，所述基础水凝胶结构采用pva-硼砂水凝胶材质，所述生物炭-水凝胶凸起采用上述生物炭-水凝胶材料；

24、所述乳胶层围设在所述水凝胶层外周，采用乳胶材质。

25、作为本发明的优选方式之一，所述枕套沿其宽度方向依次包括颈部支撑容纳区一、头部支撑容纳区和颈部支撑容纳区二；所述枕套的颈部支撑容纳区一、头部支撑容纳区与颈部支撑容纳区二位置分别对应容纳有所述颈部支撑柱一、头部支撑块、颈部支撑柱二；所述颈部支撑柱一与颈部支撑柱二的高度与软硬度不同；

26、同时，所述枕套的头部支撑容纳区沿其长度方向又包括一个仰睡区和两个位于所述仰睡区两侧的侧睡区；所述仰睡区对应的枕套内容纳有所述头部支撑块的仰睡区氮掺杂生物炭基记忆棉柱，侧睡区对应的枕套内容纳有侧睡区氮掺杂生物炭基记忆棉柱；其中，所述仰睡区氮掺杂生物炭基记忆棉柱与侧睡区氮掺杂生物炭基记忆棉柱的软硬度不同；此外，所述仰睡区记忆绵柱分布区域的中部还成型有一头部凹陷区。

27、作为本发明的优选方式之一，所述颈部支撑柱一与颈部支撑柱二通过设置不同氮掺杂生物炭含量的海绵柱对不同区域枕头的软硬度进行调节，通过设置不同高度的海绵柱对不同区域枕头的高度进行调节。

28、作为本发明的优选方式之一，所述颈部支撑容纳区一、头部支撑容纳区和颈部支撑容纳区二对应的内部水凝胶层位置，其表面设置的生物炭-水凝胶凸起数量和排列方式不同；通过设置不同数量和排列方式的生物炭-水凝胶凸起，对不同区域枕头的软硬度进行进一步地调节，且可起到按摩的作用。

29、本发明相比现有技术的优点在于：

30、(1)本发明通过利用农林废弃物莲杆制备氮掺杂生物炭，促进了资源的循环利用和环境保护，避免了农林废弃物的直接排放或燃烧带来的环境问题；同时，通过“空气预氧化和高温碳化的间接一步法”制备莲杆基氮掺杂生物炭过程，低能耗、低污染，符合绿色环保和可持续发展的要求，且极大增强了对vocs(如甲醛、二甲苯等)的吸附能力，去除率高达87.2％。

31、(2)本发明通过“空气预氧化和高温碳化的间接一步法”制备得到氮掺杂生物炭，在预氧化过程中，空气中的氧气与莲杆中的有机物质反应，形成更多的含氧官能团；磷酸铵在高温碳化中起到催化剂的作用，不仅促进了莲杆的进一步热解，还导致表面形成了磷酸盐结构，有助于增加生物炭的比表面积和孔隙度，进而提供了更多的吸附位点；最终，制备得到的生物炭因其丰富的微孔/介孔结构、增强的表面官能团和独特的表面化学特性而具有对vocs如甲醛、二甲苯等的高吸附性能，从而有效净化室内空气，提升居住环境的健康水平。

32、(3)本发明采用水凝胶作为生物炭的载体，巧妙利用水凝胶天然的弹性与pva-硼砂系统的自愈合性，为枕头赋予了卓越的支撑性和耐久性。pva-硼砂体系的自愈合功能特别适应于枕头使用过程中经常遭遇的压力变形，它能自动修复这些微小破损，有效地预防了枕头长期使用后出现的塌陷或变形现象。

33、(4)本发明枕头采用的分层设计(包括乳胶层、水凝胶层、氮掺杂生物炭记忆绵支撑层)对颈椎和头部提供了全方位的支撑，且根据仰睡与侧睡的不同需求进行了优化，不仅提高了睡眠舒适度，还可达到按摩的效果；其中，水凝胶层及其上生物炭-水凝胶凸起的加入，除了净化空气，也通过其3d网络结构促进了枕头的透气性和散热效果，透气率高达49.8，且抑菌率也高达91％，避免了睡眠中的闷热感，进一步提升了睡眠质量，实现了功能性与舒适性的完美结合。

34、(5)本发明水凝胶层为可拆卸设计，便于用户根据个人卫生习惯进行定期清洗或更换，保持枕头的清新和卫生；该设计方案还可针对不同用户的健康需求和喜好，提供不同功能的水凝胶层替换选项，增加了产品的个性化和实用性。

35、(6)本发明成本控制具有明显优势，生物炭的原料来源广泛、成本低廉，不仅能减少废弃物处理成本，还能生成有用的副产品，实现生物资源的有效利用，避免其成为环境负担，同时结合环保和改善睡眠质量的双重功效。

36、(7)本发明将生物炭作为一种填料，整合进记忆棉的发泡过程中，从而制备出氮掺杂生物炭基记忆棉支撑柱。该记忆棉支撑柱不仅具有缓解压力和提供分区化支撑的作用，还可为vocs的高效吸附提供更加丰富的立体通道，大大增加吸附面积，从而优化空气净化的性能，提升室内空气质量。