一種具有大比表面積的木質(zhì)素基活性碳纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于纖維的制造的領(lǐng)域，具體涉及一種利用植物原料制備活性碳纖維的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]活性碳纖維(Activated Carbon Fiber，簡稱ACF)是一種具有多孔性的碳纖維材料。相比較于前兩代吸附材料(粉末狀活性炭和顆粒狀活性炭)，作為第三代吸附功能材料的活性碳纖維具有比表面積大、孔徑適中且分布均勻、吸附速度快、雜質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最先進(jìn)的環(huán)境保護(hù)材料之一，可以廣泛應(yīng)用于水凈化、空氣凈化、有機(jī)溶劑回收、航空、軍事、食品、催化劑載體、電極材料等方面。活性碳纖維的研宄始于上世紀(jì)六十年代，美國和日本相繼開發(fā)出黏膠基與酚醛基活性碳纖維和聚丙烯腈基與瀝青基活性碳纖維，并且后兩者迅速主導(dǎo)世界范圍的活性碳纖維市場，一直沿續(xù)至今。但隨著石油資源的日益緊缺，以及開采和使用過程中造成的環(huán)境破壞與污染，使得活性碳纖維不具有可持續(xù)發(fā)展性。在高度提倡能源綠色化的今天，如何采用可持續(xù)的生物質(zhì)資源替代石化資源為原料制備活性碳纖維成為一項(xiàng)重要課題。
[0003]木質(zhì)素是世界上第二大豐富的生物質(zhì)資源，僅次于纖維素。目前，國內(nèi)制漿造紙廠排放的黑液中木質(zhì)素含量多達(dá)5000萬噸/年，而被有效利用的部分少于總量的5%，剩余的部分被排放廢棄或燃燒。利用木質(zhì)素并高值化加工制備成活性碳纖維等功能材料，不僅可以達(dá)到變廢為寶和實(shí)現(xiàn)活性碳纖維原料的可持續(xù)性的目的，而且還可以避免對環(huán)境造成污染與破壞，因此，在資源儲備和環(huán)境保護(hù)等方面具有重大的戰(zhàn)略意義。
[0004]當(dāng)前，國際上，采用木質(zhì)素為原料通過熔融紡絲的方法制備活性碳纖維的研宄只有日本在本世紀(jì)初有過嘗試，但熔融紡絲溫度高，采用傳統(tǒng)的空氣熱穩(wěn)化處理溫度較高、耗時(shí)較長，最終的比表面積小于2000m2/g。因此，為了降低能耗、增大最終產(chǎn)品比表面積、提高其性價(jià)比，迫切需要一種制備過程能耗少、最終產(chǎn)品比表面積大的木質(zhì)素基活性碳纖維的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對本領(lǐng)域存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有大比表面積的木質(zhì)素基活性碳纖維的制備方法。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有大比表面積的木質(zhì)素基活性碳纖維。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為:
[0008]一種具有大比表面積的木質(zhì)素基活性碳纖維的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)將木質(zhì)素粉末裝入紡絲管中，加熱紡絲管至145_172°C，紡絲管上端均速加入氮?dú)馐┘訅毫Γ軣崛廴诘哪举|(zhì)素從紡絲管下端管孔流出，牽引至收絲輥上，收絲輥的轉(zhuǎn)速是 45_70m/min ；
[0010](2)木質(zhì)素基纖維用鹽酸進(jìn)行化學(xué)熱穩(wěn)定化處理，得到不熔融的木質(zhì)素基纖維；
[0011](3)將不熔融的木質(zhì)素基纖維從室溫加熱至1000-1200°c，并在1000?1200°C的溫度下保持I小時(shí)，再停止加熱，自然冷卻降至室溫，制得木質(zhì)素基碳纖維。
[0012](4)木質(zhì)素基碳纖維經(jīng)活化處理，制得木質(zhì)素基活性碳纖維。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(I)中，加熱紡絲管至168_170°C，紡絲管下端管孔的孔徑為
0.8mm，收絲棍的轉(zhuǎn)速是67m/min。
[0014]其中，步驟(2)的熱穩(wěn)定化處理是將木質(zhì)素基纖維浸沒在1-6M的鹽酸溶液中。
[0015]進(jìn)一步地，步驟(2)為:浸沒有木質(zhì)素基纖維的鹽酸溶液在100°C的溫度下密閉加熱2-6小時(shí)，加熱完畢后，取出木質(zhì)素基纖維，并用蒸餾水清洗，再在100-110°C的溫度下干燥I小時(shí)，制得不熔融的木質(zhì)素基纖維。
[0016]其中，所述步驟(4)中，從室溫加熱到1000-1200°C的升溫速率為3°C /min。
[0017]其中，在室溫升溫到1000-1200°C、1000-1200°C保溫、冷卻至室溫的三個階段，不熔融的木質(zhì)素基纖維均在氮?dú)獾臍怏w氛圍中。進(jìn)行氮?dú)獗Ｗo(hù)的氮?dú)獾牧魉倏蛇x為200mL/min。
[0018]其中，步驟⑷的活化處理步驟如下:
[0019]在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將木質(zhì)素基碳纖維作活化處理，活化溫度為900°C，使用的活化劑為水蒸汽，活化時(shí)間為30-90min，得到木質(zhì)素基活性碳纖維。
[0020]其中，作為活化劑的水蒸汽與氮?dú)饣旌?，氮?dú)獾氖褂昧魉贋?00mL/min，水蒸汽與氮?dú)饣旌虾髿怏w的相對濕度為60-65RH%。
[0021]本發(fā)明方法制備得到的木質(zhì)素基活性碳纖維也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0022]通過大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)合其結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在四個步驟中，收絲輥的轉(zhuǎn)速、化學(xué)熱穩(wěn)定處理使用鹽酸的濃度、活化處理時(shí)間是關(guān)鍵因素。收絲輥轉(zhuǎn)速越大，熔融后的木質(zhì)素受的牽引力越大，形成的木質(zhì)素基纖維的直徑越小，在相同質(zhì)量條件下，纖維的比表面積越大；化學(xué)熱穩(wěn)定處理過程中，使用鹽酸濃度越大，木質(zhì)素基纖維里被切斷的分子鏈數(shù)量越多，分子鏈排放出來后在纖維表面形成的裂隙越多，纖維內(nèi)部多孔性結(jié)構(gòu)越多，在隨后的碳化與活化過程中，纖維的表面裂隙與內(nèi)部多孔性結(jié)構(gòu)依舊殘留，使得最后的活性碳纖維具有更多的孔結(jié)構(gòu)，比表面積就越大；活化過程處理時(shí)間越長，木質(zhì)素基碳纖維被水蒸汽侵蝕的越厲害，形成的孔狀結(jié)構(gòu)也越多，最終的比表面積也越大。
[0023]經(jīng)過控制以上關(guān)鍵因子，所得的木質(zhì)素基活性碳纖維的最大比表面積達(dá)到了3060m2/g，總孔容達(dá)到了 1.472cc/g，遠(yuǎn)大于以往的采用傳統(tǒng)步驟研宄的木質(zhì)素基活性碳纖維的比表面積(小于2000m2/g)和現(xiàn)有市場上活性炭和其他原料制備的活性碳纖維的比表面積(700-1500m2/g)。
[0024]本發(fā)明的有益效果在于:
[0025]本發(fā)明方法得到的木質(zhì)素基活性碳纖維具有較大的比表面積，并且，由于呈纖維狀，可以編織成布、帶、氈等多種形式使用，為工程應(yīng)用提供了一定的靈活性，從而解決了許多顆粒狀活性炭無法解決的問題。
[0026]另外，通過本發(fā)明的處理方式，所得的木質(zhì)活性碳纖維具備了優(yōu)異的理化特性，比表面積大大增加，吸附和解吸附能力均得以改善，并以其特殊的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理吸附特性可廣泛應(yīng)用于環(huán)保、電子、醫(yī)用衛(wèi)生、化工等領(lǐng)域。并且，本發(fā)明的方法操作方便，能耗少，耗時(shí)短，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的活性碳纖維的氮?dú)馕?脫附曲線圖。其中，相對壓力為氮?dú)夥謮号c液氮溫度下氮?dú)獾娘柡驼羝麎旱谋戎怠?br>[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2制備的活性碳纖維的氮?dú)馕?脫附曲線圖。
[0029]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3制備的活性碳纖維的氮?dú)馕?脫附曲線圖。
[0030]圖4為本發(fā)明對照例I制備的碳纖維的氮?dú)馕?脫附曲線圖。
[0031]圖5為本發(fā)明對照例2制備的活性炭的氮?dú)馕?脫附曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)的情況下，對本發(fā)明方法、步驟或條件所作的修改或替換，均屬于本發(fā)明的范圍。
[0033]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，實(shí)施例中，加入的各原料除特別說明外，均為市售常規(guī)原料。
[0034]實(shí)施例1
[0035]木質(zhì)素粉末裝入紡絲管中，加熱紡絲管至172°C，紡絲管上端均速加入氮?dú)馐┘訅毫Γ軣崛廴诘哪举|(zhì)素從紡絲管下端孔徑為0.8mm的管孔流出，牽引至收絲輥上，收絲輥的轉(zhuǎn)速是67m/min，等紡絲管內(nèi)的木質(zhì)素全部流出紡絲管口，停止收絲輥轉(zhuǎn)動，從收絲輥上取下木質(zhì)素基纖維。
[0036]將木質(zhì)素基纖維浸沒在裝有3M鹽酸溶液的密封的玻璃瓶中，并在100°C的溫度下加熱2小時(shí)。加熱完畢后，取出木質(zhì)素基纖維，并用蒸餾水清洗，再在103°C的溫度下干燥I小時(shí)。將制得的不熔融木質(zhì)素基纖維以3°C /min的升溫速率從室溫加熱至1000°C，并在1000°C的溫度下保持I小時(shí)，再停止加熱，自然冷卻降至室溫，全程在氮?dú)獾臍怏w氛圍中，氮?dú)獾氖褂昧魉贋?00mL/min，制得木質(zhì)素基碳纖維。將木質(zhì)素基碳纖維在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱至900°C，采用相對濕度為60.3冊％的濕氮?dú)饣罨举|(zhì)素基碳纖維30min，得到木質(zhì)素基活性碳纖維。
[0037]采用Quantachrome儀器公司提供的Autosorb-1氮?dú)馕絻x，得到的氮?dú)馕矫摳角€圖見圖1，采用多點(diǎn)BET法測所本實(shí)施例獲得的木質(zhì)素基活性碳纖維的比表面積為2038m2/g，采用氮?dú)馕角€相對壓力最高點(diǎn)對應(yīng)的氮?dú)馊萘繙y得總孔容達(dá)到了 1.029mL/
g°
[0038]實(shí)施例2
[0039]木質(zhì)素粉末裝入紡絲管中，加熱紡絲管至159°C，紡絲管上端均速加入氮?dú)馐┘訅毫?，受熱熔融的木質(zhì)素從紡絲管下端孔徑為0.8mm的管孔流出，牽引至收絲輥上，收絲輥的轉(zhuǎn)速是47m/min，等紡絲管內(nèi)的木質(zhì)素全部流出紡絲管口，停止收絲輥轉(zhuǎn)動，從收絲輥上取下木質(zhì)素基纖維。
[0040]將木質(zhì)素基纖維浸沒在裝有6M鹽酸溶液的密封的玻璃瓶中，并在100°C的溫度下加熱2小時(shí)。加熱完畢