專利名稱：一種用棉纖維素快速制備碳微球的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用棉纖維素快速制備碳微球的方法，屬高分子碳材料的制備及應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳微球是重要的碳材料之一，它具有高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，被廣泛應(yīng)用于電極材料、吸附劑材料、燃料電池、催化劑和催化劑載體；碳微球的制備方法有電弧放電法、化學(xué)氣相沉積法、激光蒸發(fā)法、催化熱解法，這些制備方法大都需要高能量、長周期及昂貴的儀器設(shè)備，而且目前所采用的碳源大多是從煤礦石中及石油產(chǎn)物中提取的，主要成分是烯烴、炔烴類化合物的石油焦、浙青焦、煤焦油，這些石化副產(chǎn)物為非再生資源，而這些資源正逐漸減少。 棉纖維素是世界上最豐富的天然有機(jī)物，占植物界碳含量的50%以上，棉纖維素是由碳、氫、氧三種元素組成，含碳量高達(dá)44. 44%以上，棉纖維素資源豐富，除了棉花長纖維被用作紡織原料外，其它不能用于紡織的下腳料、棉短絨、棉子及棉桿，它們的纖維素含量也很高，都可做碳源使用；另外，全球每年可產(chǎn)生數(shù)千億噸的富含纖維素的生物質(zhì)殘渣，它們都是含碳元素很高的有機(jī)化合物，為碳材料的制取提供了十分有利的條件。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)的狀況，采用棉纖維素為碳源，在高壓反應(yīng)釜中，在300°C溫度下，快速降解碳化合成碳微球，以提高碳微球的制備效率和質(zhì)量。技術(shù)方案本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)材料為棉纖維素、乙醇、鹽酸、去離子水，其組合配比準(zhǔn)確用量是以克、毫升為計量單位
棉纖維素(C6HujO5)n n=8000 10000 IOgilg 乙醇C2H6O2000mL±50 mL
鹽酸HCL500mL±10mL
去離子水 H2O2000mL±50 mL制備方法如下(I)精選化學(xué)物質(zhì)材料對制備所需的化學(xué)物質(zhì)材料要進(jìn)行精選，并進(jìn)行質(zhì)量純度、濃度控制棉纖維素固態(tài)固體98% 乙醇液態(tài)液體99.8% 鹽酸液態(tài)液體濃度38% 去離子水液態(tài)液體99.8%(2)粉碎、清洗
將棉纖維素置于粉碎機(jī)中粉碎,然后用60目篩網(wǎng)過篩,粉碎過篩反復(fù)進(jìn)行,過篩后，棉纖維素成細(xì)粉，細(xì)粉粒徑< 0. 25mm ；(3)清洗反應(yīng)釜向反應(yīng)爸內(nèi)注入鹽酸IOOmL,用毛刷刷洗IOmin,然后注入去離子水150mL,刷洗IOmin,然后晾干；(4)配制鹽酸水溶液量取鹽酸21. lmL±0. OlmL、去離子水250mL±lmL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌5min,使其混合均勻,成0. 5mol/L的鹽酸水溶液；(5)配置棉纖維素鹽酸溶液稱取棉纖維素10. 0g±0. Olg,量取0. 5mol/L的鹽酸水溶液250mL土 ImL ；置于燒杯中，用攪拌器攪拌，攪拌速率400r/min，攪拌時間2min，攪拌后成糊狀物；(6)制備碳微球用棉纖維素制備碳微球是在高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的，是在加熱、加壓、降解、碳化反應(yīng)下完成的；①將糊狀物加入高壓反應(yīng)釜內(nèi)，然后用釜蓋密封；②開啟反應(yīng)釜加熱器；反應(yīng)釜溫度由常溫20°C開始升溫，升溫速度5°C /min，升溫時間為24min±2min，當(dāng)溫度升至140°C ±3°C時，保溫、恒溫150min±2min，反應(yīng)釜內(nèi)氣體蒸發(fā)，反應(yīng)釜內(nèi)壓強(qiáng)為0. 5MPa，棉纖維素進(jìn)行降解反應(yīng)；③然后繼續(xù)升溫，升溫速度5 °C /min,升溫時間32min±2min,當(dāng)溫度升至3000C ±3°C時，保溫、恒溫420min±2min，釜內(nèi)壓強(qiáng)為IOMPa;棉纖維素碳化,形態(tài)轉(zhuǎn)換,生成碳微球；棉纖維素在140°C ±3°C、鹽酸存在的狀態(tài)下，進(jìn)行降解反應(yīng)，到溫度升至300°C時，棉纖維素發(fā)生熱解及碳化反應(yīng)，形成棉纖維素-降解-碳化的物理化學(xué)轉(zhuǎn)變，生成碳微球；碳微球的生成過程I棉纖維素水解降解在反應(yīng)釜內(nèi)，140°C ±3°C、0.5MPa狀態(tài)下，在氫離子作用下發(fā)生水解降解，轉(zhuǎn)變成
低聚糖、葡萄糖；水解降解反應(yīng)方程式如下
權(quán)利要求
1.一種用棉纖維素快速制備碳微球的方法，其特征在于使用的化學(xué)物質(zhì)材料為棉纖維素、乙醇、鹽酸、去離子水，其組合配比準(zhǔn)確用量是以克、毫升為計量單位棉纖維素 (C6HigO5)i1 n=8000 10000 10g±lg乙醇C2H6O2000mL土50 mL鹽酸HCL500mL±10mL去離子水 H2O2000mL±50 mL 制備方法如下 (1)精選化學(xué)物質(zhì)材料 對制備所需的化學(xué)物質(zhì)材料要進(jìn)行精選，并進(jìn)行質(zhì)量純度、濃度控制 棉纖維素 固態(tài)固體98% 乙醇液態(tài)液體99.8% 鹽酸液態(tài)液體濃度38% 去離子水 液態(tài)液體99.8% (2)粉碎、清洗 將棉纖維素置于粉碎機(jī)中粉碎，然后用60目篩網(wǎng)過篩,粉碎過篩反復(fù)進(jìn)行,過篩后,棉纖維素成細(xì)粉，細(xì)粉粒徑< 0. 25mm ； (3)清洗反應(yīng)釜 向反應(yīng)爸內(nèi)注入鹽酸IOOmL,用毛刷刷洗IOmin,然后注入去離子水150mL,刷洗IOmin,然后晾干； (4)配制鹽酸水溶液 量取鹽酸21. lmL±0.01mL、去離子水250mL±lmL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌5min，使其混合均勻，成0. 5mol/L的鹽酸水溶液； (5)配置棉纖維素鹽酸溶液 稱取棉纖維素10. 0g±0. Olg，量取0. 5mol/L的鹽酸水溶液250mL±lmL ； 置于燒杯中，用攪拌器攪拌，攪拌速率400r/min，攪拌時間2min，攪拌后成糊狀物； (6)制備碳微球 用棉纖維素制備碳微球是在高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的，是在加熱、加壓、降解、碳化反應(yīng)下完成的； ①將糊狀物加入高壓反應(yīng)釜內(nèi)，然后用釜蓋密封； ②開啟反應(yīng)釜加熱器； 反應(yīng)爸溫度由常溫20°C開始升溫，升溫速度5°C /min,升溫時間為24min±2min,當(dāng)溫度升至140°C ±3°C時，保溫、恒溫150min±2min，反應(yīng)釜內(nèi)氣體蒸發(fā)，反應(yīng)釜內(nèi)壓強(qiáng)為.0.5MPa，棉纖維素進(jìn)行降解反應(yīng)；③然后繼續(xù)升溫，升溫速度5°C /min,升溫時間32min±2min,當(dāng)溫度升至300°C ±3°C時，保溫、恒溫420min±2min，釜內(nèi)壓強(qiáng)為IOMPa ； 棉纖維素碳化,形態(tài)轉(zhuǎn)換,生成碳微球； 棉纖維素在140°C ±3°C、鹽酸存在的狀態(tài)下，進(jìn)行降解反應(yīng)，溫度升至300°C時，棉纖維素發(fā)生熱解及碳化反應(yīng)，形成棉纖維素-降解-碳化的物理化學(xué)轉(zhuǎn)變，生成碳微球； 碳微球的生成過程 I棉纖維素水解降解 在反應(yīng)釜內(nèi)，140°C ±3°C、0. 5MPa狀態(tài)下，在氫離子作用下發(fā)生水解降解，轉(zhuǎn)變成低聚糖、葡萄糖；水解降解反應(yīng)方程式如下
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用棉纖維素快速制備碳微球的方法，其特征在于用棉纖維素制備碳微球是在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的，是在加熱、加壓、水解、碳化反應(yīng)過程中完成的；反應(yīng)釜為圓筒形，用不銹鋼材料制作，反應(yīng)釜(I)的上部為密封蓋(2)，并由密封圈(5)密封，在密封蓋(2)上設(shè)置攪拌器(3)及密封墊(16)、熱電偶(4)及密封墊(15)，并伸入反應(yīng)釜(I)內(nèi)；反應(yīng)釜(I)內(nèi)下部為水解溶液(8)、上部為水蒸氣(7);反應(yīng)釜(I)置于反應(yīng)釜加熱座(18)上，反應(yīng)釜加熱座(18)置于反應(yīng)釜控制臺(9)上，在反應(yīng)釜控制臺(9)上設(shè)置有顯示屏(10)、電源開關(guān)(11)、電加熱調(diào)控器(12)、攪拌器調(diào)控器(13)、指示燈(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用棉纖維素快速制備碳微球的方法，其特征在于反應(yīng)釜內(nèi)溫度與時間坐標(biāo)關(guān)系為加熱溫度由20°C開始升溫，即A點(diǎn)，升溫速度5°C /min，當(dāng)溫度升至140°C ±3°C時，即B點(diǎn)，恒溫、保溫150min±2min，即B-C區(qū)段，進(jìn)行水解反應(yīng)，然后繼續(xù)以5°C /min速度升至300°C ±3°C，即D點(diǎn)，在此溫度恒溫、保溫420min±2min，即D-E區(qū)段，進(jìn)行碳化反應(yīng)，棉纖維素形態(tài)轉(zhuǎn)換為碳微球，然后停止加熱，使其自然冷卻至20°C，即F點(diǎn)，加熱溫度與時間成正比。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用棉纖維素快速制備碳微球的方法，是采用棉纖維素為原料，采用水熱合成法，在反應(yīng)釜內(nèi)通過調(diào)控加熱溫度、時間、反應(yīng)物濃度，進(jìn)行水解反應(yīng)、碳化反應(yīng)，最終在300℃、壓強(qiáng)10MPa下制得碳微球，此制備方法工藝先進(jìn)，快捷迅速，使用設(shè)備少，原料來源豐富，價格低廉、碳化過程所需能量少，是十分理想的用棉纖維素快速制備碳微球的方法，為植物類纖維素制備高附加值碳材料開辟了廣闊前景。
文檔編號C01B31/02GK102633249SQ201210092199
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者侯文生, 劉金龍, 戴晉明, 王淑花, 賈虎生, 高曉月 申請人:太原理工大學(xué)