專(zhuān)利名稱(chēng)：一種活性木質(zhì)碳纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種通過(guò)“一步法”物理活化制備活性木質(zhì)碳纖維的方法。
背景技術(shù)：
活性碳纖維作為多孔碳材料，與傳統(tǒng)的粉末和粒狀活性炭相比，不僅具有高比面積、吸附量大、吸附脫附速度快的特點(diǎn)，還能根據(jù)需要制成各種制品和多種形態(tài)。因此，它被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、化工、食品、衛(wèi)生、電子、電化學(xué)等領(lǐng)域。目前就活性碳纖維原料而言，主要是粘膠纖維、酚醛纖維、聚丙烯腈、浙青纖維和芳綸纖維，而諸如聚丙烯腈、浙青類(lèi)等的原料主要依賴(lài)化石資源，基于化石資源的日趨枯竭，減少因開(kāi)采化石資源對(duì)地球生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響，開(kāi)展生物質(zhì)原料制備活性碳纖維的研究勢(shì)在必行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)“一步法”物理活化制備活性木質(zhì)碳纖維的方法。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明的一種活性木質(zhì)碳纖維的制備方法，其是將木粉置于液化裝置中，加入苯酚，在酸催化劑存在下制備液化物；木材液化物經(jīng)過(guò)紡絲液的合成、熔融紡絲和固化工藝，可制得木材液化物原絲；最后將原絲置于活化裝置中。本發(fā)明采用一步物理活化法，即炭化活化同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)調(diào)整活化溫度、活化時(shí)間、水蒸氣流量和升溫速率，得到比表面積為740. 50-2641. 085m2/g，得率為10-48%的新型木質(zhì)活性碳纖維。本發(fā)明的目的是采用以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提供的一種活性木質(zhì)碳纖維的制備方法，包括以下步驟1)將木粉置于液化裝置中，向其中加入4-6倍木粉重量的苯酚，在酸催化劑存在下，加熱至150-160°C，保溫，制備液化物；在加熱的同時(shí)進(jìn)行攪拌，攪拌的速度可根據(jù)物料量和反應(yīng)釜的大小設(shè)置；2)當(dāng)木材液化物降至室溫后，向其中加入4-6%木材液化物重量的合成劑六次甲基四胺，Ih后，加熱至160-175 得到紡絲液， 隨后將紡絲液置于紡絲機(jī)中，當(dāng)紡絲液加熱至110-130°C時(shí)，即可抽絲(熔融紡絲)，得到合成的纖維，收絲輥的轉(zhuǎn)速可根據(jù)出絲速度自行設(shè)置；3)將合成的纖維置于體積比為I : I的甲醛和鹽酸的混合液中，加熱至85-95°C，保溫2-4h，降至室溫后水洗干燥，得到原絲；4)將原絲置于活化裝置中，進(jìn)行“一步法”物理活化，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加熱至700-90(TC，將原絲與活化劑進(jìn)行反應(yīng)，即得木質(zhì)活性碳纖維。優(yōu)選地，前述方法中，步驟I)中保溫時(shí)間為2. 5h。優(yōu)選地，前述方法中，步驟I)中使用的酸催化劑為O. 4-0. 6倍木粉重量的磷酸或
硫fe。優(yōu)選地，前述方法中，步驟3)中加熱時(shí)的升溫速率為10°C /h。優(yōu)選地，前述方法中，步驟4)中加熱時(shí)的升溫速率為2-4°C /min。優(yōu)選地，前述方法中，步驟4)中使用的活化劑為水蒸氣，流量為I. 0-2. 5ml/min/g，通入水蒸氣的時(shí)間為10_90min。
優(yōu)選地，前述方法中，步驟4)中停止通入水蒸氣后，使活化裝置自動(dòng)降溫，待溫度降至300-350°C時(shí)停止通入氮?dú)?。?yōu)選地，前述方法中，步驟I)中的木粉是將木材加工剩余物進(jìn)行粉碎，篩分得到的30-80目木粉。采用本發(fā)明的“一步法”物理活化制備的木質(zhì)活性碳纖維的性能指標(biāo)如下活化得率10·45-48. 75(% )比表面積740.50-2641. 085 (m2/g)微孔比表面積449.176-2092. 531 (m2/g)總孔容0.353-1. 388 (cm3/g)微孔孔容0.190-0. 898 (cm3/g)平均孔徑0·900-1. 279 (nm)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(一)本發(fā)明以木材加工剩余物為原料，屬于生物質(zhì)，與現(xiàn)有的生物質(zhì)碳纖維(例如粘I父基、木質(zhì)素基)相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于不必單獨(dú)從生物質(zhì)中提取纖維素和木質(zhì)素等 化學(xué)成分，而是全部利用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，增加了生物質(zhì)的利用率。( 二)與活性碳纖維的化學(xué)活化工藝相比，其主要以對(duì)活化裝置具有強(qiáng)腐蝕性的強(qiáng)堿作為活化劑，本發(fā)明采用水蒸氣作為活化劑，對(duì)環(huán)境污染小，對(duì)裝置腐蝕性小，有利于可持續(xù)發(fā)展。(三)本發(fā)明采用“一步法”物理活化制備產(chǎn)品，能夠減少制備過(guò)程中的能源消耗，簡(jiǎn)化了工藝步驟和生產(chǎn)設(shè)備的投入，提高了產(chǎn)品得率。(四)本發(fā)明制備的木質(zhì)活性碳纖維，在性能優(yōu)于其他工業(yè)化活性碳纖維，例如粘膠基、聚丙烯晴基、酚醛基和浙青基活性碳纖維的比表面積分別為1000-1500m2/g、700-1200m2/g、1000-2300m2/g和1000_2000m2/g，而采用本發(fā)明方法制得的活性木質(zhì)碳纖維的比表面積為 740. 50-2641. 085m2/g。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例I 6中制備活性木質(zhì)碳纖維的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。若未特別指明，實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段，所用原料均為市售商品。實(shí)施例I活性木質(zhì)碳纖維的制備如圖I所示，將木材加工剩余物粉碎成30目后，投入到液化裝置當(dāng)中。再加入4倍木粉重量的苯酚和O. 4倍木粉重量的磷酸，混合物加熱到160°C，保溫2. 5h。當(dāng)木材液化物降至室溫后，加入4%液化物重量的六次甲基四胺，經(jīng)過(guò)I個(gè)小時(shí)，升溫到170°C，合成紡絲液。隨后將紡絲液置于紡絲機(jī)中，當(dāng)紡絲液被加熱到120°C時(shí)，以收絲輥100轉(zhuǎn)/分的速度收絲。將合成的纖維置于體積比為I : I的甲醛和鹽酸的混合液中，以10°C/h的升溫速率加熱到85°C，保溫2h。待降至室溫后水洗干燥。稱(chēng)取2. 85g的原絲置于活化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將以3°C /min的速率升溫到800°C后，保溫的同時(shí)通入水蒸氣，流量為Iml/min/g,并于60min后關(guān)閉水蒸氣發(fā)生器，同時(shí)使活化爐自動(dòng)降溫，當(dāng)溫度達(dá)到350°C時(shí)停止通入氮?dú)狻Ｖ苽涞幕钚蕴祭w維的活化得率為40. 702%,比表面積1249. 511m2/g，微孔比表面積為968. 492m2/g，總孔容為O. 644cm3/g，微孔孔容為O. 384cm3/g，平均孔徑為I. 031nm。實(shí)施例2活性木質(zhì)碳纖維的制備將木材加工剩余物粉碎成60目后，投入到液化裝置當(dāng)中。再加入5倍木粉重量的苯酚和O. 5倍木粉重量的磷酸，混合物加熱到160°C，保溫2. 5h。當(dāng)木材液化物降至室溫后，加入液化物5%重量的六次甲基四胺，經(jīng)過(guò)I個(gè)小時(shí)，升溫到170°C，合成紡絲液。隨后將紡絲液置于紡絲機(jī)中，當(dāng)紡絲液被加熱到120°C時(shí)，以收絲輥100轉(zhuǎn)/分的速度收絲。將合成的纖維置于體積比為I : I的甲醛和鹽酸的混合液中，以10°C/h的升溫速率加熱到85°C，保溫2h。待降至室溫后水洗干燥。稱(chēng)取4. 49g的原絲置于活化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將 以3°C /min的速率升溫到800°C后，保溫的同時(shí)通入水蒸氣，其流量為I. 5ml/min/g，并于90min后關(guān)閉水蒸氣發(fā)生器，同時(shí)使活化爐自動(dòng)降溫。當(dāng)溫度達(dá)到300°C時(shí)停止通入氮?dú)?。制備的活性碳纖維的活化得率為28. 721%,比表面積1737. 839m2/g，微孔比表面積為1388. 637m2/g，總孔容為O. 899cm3/g，微孔孔容為O. 556cm3/g，平均孔徑為I. 035nm。實(shí)施例3活性木質(zhì)碳纖維的制備將木材加工剩余物粉碎成80目后，投入到液化裝置當(dāng)中。再加入5倍木粉重量的苯酚和O. 6倍木粉重量的硫酸，混合物加熱到160°C，保溫2. 5h。當(dāng)木材液化物降至室溫后，加入液化物6%重量的六次甲基四胺，經(jīng)過(guò)I個(gè)小時(shí)，升溫到170°C，合成紡絲液。隨后將紡絲液置于紡絲機(jī)中，當(dāng)紡絲液被加熱到120°C時(shí)，以收絲輥100轉(zhuǎn)/分的速度收絲。將合成 的纖維置于體積比為I : I的甲醛和鹽酸的混合液中，以10°C/h的升溫速率加熱到85°C，保溫2h。待降至室溫后水洗干燥。稱(chēng)取4. 49g的原絲置于活化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將以2°C /min的速率升溫到800°C后，保溫的同時(shí)通入水蒸氣，其流量為I. 0ml/min/g，并于60min后關(guān)閉水蒸氣發(fā)生器，同時(shí)使活化爐自動(dòng)降溫。當(dāng)溫度達(dá)到320°C時(shí)停止通入氮?dú)?。制備的活性碳纖維的活化得率為43. 371%,比表面積1113. 907m2/g，微孔比表面積為897. 051m2/g，總孔容為O. 572cm3/g，微孔孔容為O. 358cm3/g，平均孔徑為I. 028nm。實(shí)施例4活性木質(zhì)碳纖維的制備將木材加工剩余物粉碎成60目后，投入到液化裝置當(dāng)中。再加入5倍木粉重量的苯酚和O. 5倍木粉重量的磷酸，混合物加熱到150°C，保溫2. 5h。當(dāng)木材液化物降至室溫后，加入液化物6%重量的六次甲基四胺，經(jīng)過(guò)I個(gè)小時(shí)，升溫到175°C，合成紡絲液。隨后將紡絲液置于紡絲機(jī)中，當(dāng)紡絲液被加熱到120°C時(shí)，以收絲輥100轉(zhuǎn)/分的速度收絲。將合成的纖維置于體積比為I : I的甲醛和鹽酸的混合液中，以10°C/h的升溫速率加熱到85°C，保溫2h。待降至室溫后水洗干燥。稱(chēng)取4. 31g的原絲置于活化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將以3°C /min的速率升溫到900°C后，保溫的同時(shí)通入水蒸氣，其流量為I. Oml/min/g，并于60min后關(guān)閉水蒸氣發(fā)生器，同時(shí)使活化爐自動(dòng)降溫。當(dāng)溫度達(dá)到350°C時(shí)停止通入氮?dú)?。制備的活性碳纖維的活化得率為10. 451%,比表面積2641. 085m2/g，微孔比表面積為2029. 531m2/g，總孔容為I. 388cm3/g，微孔孔容為O. 898cm3/g，平均孔徑為I. 051nm。實(shí)施例5活性木質(zhì)碳纖維的制備將木材加工剩余物粉碎成80目后，投入到液化裝置當(dāng)中。再加入5倍木粉重量的苯酚和O. 6倍木粉重量的磷酸，混合物加熱到160°C，保溫2.5h。當(dāng)木材液化物降至室溫后，加入液化物6%重量的六次甲基四胺，經(jīng)過(guò)I個(gè)小時(shí)，升溫到170°C，合成紡絲液。隨后將紡絲液置于紡絲機(jī)中，當(dāng)紡絲液被加熱到120°C時(shí)，以收絲輥100轉(zhuǎn)/分的速度收絲。將合成的纖維置于體積比為I : I的甲醛和鹽酸的混合液中，以10°C/h的升溫速率加熱到85°C，保溫2h。待降至室溫后水洗干燥。稱(chēng)取3. Og的原絲置于活化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將以2°C /min的速率升溫到700°C后，保溫的同時(shí)通入水蒸氣，其流量為I. Oml/min/g,并于60min后關(guān)閉水蒸氣發(fā)生器，同時(shí)使活化爐自動(dòng)降溫。當(dāng)溫度達(dá)到350°C時(shí)停止通入氮?dú)?。制備的活性碳纖維的活化得率為48. 750%,比表面積784. 370m2/g，微孔比表面積為692. 009m2/g，總孔容為O. 353cm3/g，微孔孔容為O. 269cm3/g，平均孔徑為O. 89981nm。實(shí)施例6活性木質(zhì)碳纖維的制備將木材加工剩余物粉碎成80目后，投入到液化裝置當(dāng)中。再加入5倍木粉重量的苯酚和O. 6倍木粉重量的磷酸，混合物加熱到160°C，保溫2. 5h。當(dāng)木材液化物降至室溫后， 加入液化物5%重量的六次甲基四胺，經(jīng)過(guò)I個(gè)小時(shí)，升溫到165°C，合成紡絲液。隨后將紡絲液置于紡絲機(jī)中，當(dāng)紡絲液被加熱到120°C時(shí)，以收絲輥100轉(zhuǎn)/分的速度收絲。將合成的纖維置于體積比為I : I的甲醛和鹽酸的混合液中，以10°C/h的升溫速率加熱到90°C，保溫2h。待降至室溫后水洗干燥。稱(chēng)取4. 49g的原絲置于活化爐中，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將以4°C /min的速率升溫到800°C后，保溫的同時(shí)通入水蒸氣，其流量為I. Oml/min/g,并于60min后關(guān)閉水蒸氣發(fā)生器，同時(shí)使活化爐自動(dòng)降溫。當(dāng)溫度達(dá)到350°C時(shí)停止通入氮?dú)?。制備的活性碳纖維的活化得率為39. 986%,比表面積1262. 962m2/g，微孔比表面積為965. 120m2/g，總孔容為O. 680cm3/g，微孔孔容為O. 385cm3/g，平均孔徑為I. 076nm。圖I為實(shí)施例I 6中制備活性木質(zhì)碳纖維的工藝流程圖。雖然，上文中已經(jīng)用一般性說(shuō)明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種活性木質(zhì)碳纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 1)向木粉中加入4-6倍木粉重量的苯酚，在酸催化劑存在下，加熱至150-160°c，保溫，制備液化物； 2)向液化物中加入4-6%液化物重量的六次甲基四胺，加熱至160-175°C得到紡絲液，當(dāng)紡絲液溫度達(dá)110-130°C時(shí)熔融紡絲，得到合成的纖維； 3)將合成的纖維置于體積比為I: I的甲醛和鹽酸的混合液中，加熱至85-95°C，保溫2-4h，降至室溫后水洗干燥，得到原絲； 4)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加熱至700-900°C，將原絲與活化劑進(jìn)行反應(yīng)，即得木質(zhì)活性碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟I)中保溫時(shí)間為2.5h。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟I)中使用的酸催化劑為O.4-0. 6倍木粉重量的磷酸或硫酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟3)中加熱時(shí)的升溫速率為IO0C /h。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟4)中加熱時(shí)的升溫速率為2-4°C /min0
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，步驟4)中使用的活化劑為水蒸氣，流量為1.0-2. 5ml/min/g,通入水蒸氣的時(shí)間為10_90min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，步驟I)中的木粉是將木材加工剩余物進(jìn)行粉碎，篩分得到的30-80目木粉。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種活性木質(zhì)碳纖維的制備方法，其是將木粉置于液化裝置中，加入苯酚，在酸催化劑存在下制備液化物；木材液化物經(jīng)過(guò)紡絲液的合成、熔融紡絲和固化工藝，可制得木材液化物原絲；最后將原絲置于活化裝置中，采用一步物理活化法，即炭化活化同時(shí)進(jìn)行，得到終產(chǎn)物活性木質(zhì)碳纖維。本發(fā)明以木材加工剩余物為原料，與現(xiàn)有的生物質(zhì)碳纖維(例如粘膠基、木質(zhì)素基)相比，優(yōu)勢(shì)在于不必單獨(dú)從生物質(zhì)中提取纖維素和木質(zhì)素等化學(xué)成分，而是全部利用，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，增加了生物質(zhì)的利用率。
文檔編號(hào)D01D1/02GK102719935SQ20121018725
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者劉文靜, 趙廣杰 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)