一種高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種活性炭納米纖維的制造方法，其特征在于，具體步驟為：將一定量的聚丙烯腈粉末和活化劑加入到強(qiáng)極性有機(jī)溶劑中，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蛑频渺o電紡絲原液，然后靜電紡絲原液在靜電紡絲裝置上進(jìn)行紡絲，得到納米纖維原絲；將納米纖維原絲經(jīng)預(yù)氧化、高溫碳化活化、水洗干燥步驟，制備得到活性炭納米纖維。該材料具有制備工藝簡單，成本低廉、樣品纖維直徑均勻，比表面積大，孔徑分布窄等優(yōu)點(diǎn)。采用該方法制備的新型活性炭納米纖維可以廣泛應(yīng)用于污染物處理，混合物的分離以及電極材料等，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多孔納米纖維材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]活性炭纖維是繼粉末活性炭和顆?；钚蕴恐蟀l(fā)展起來的第三代活性炭材料，與前兩者相比具有更強(qiáng)的吸附能力和吸附速度、優(yōu)異的加工性能，易加工成氈、布、紙等多種形式，因此，活性炭纖維自七十年代問世以來，迅速在食品、醫(yī)療、環(huán)保、紡織、核能等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用。目前制備活性炭纖維的前驅(qū)體主要有粘膠纖維、酚醛基纖維、聚丙烯腈纖維、浙青基纖維、聚乙烯醇基纖維、苯乙烯/烯烴共聚纖維和木質(zhì)基纖維等，工業(yè)上使用的主要是前四種。
[0003]聚丙烯腈(PAN)纖維最顯著的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中含有氮元素，因而其對(duì)硫系及氮系化合物有著較高的吸附性能，這是其它幾種前驅(qū)體活性炭纖維所無法比擬的。商業(yè)化的聚丙烯腈活性炭纖維主要是將聚丙烯腈原料經(jīng)由溶液紡絲制備制備成聚丙烯腈纖維，再將聚丙烯纖維經(jīng)預(yù)氧化、碳化、活化制備得到的，受工藝條件限制商業(yè)化的聚丙烯腈纖維直徑一般為十幾個(gè)微米。目前針對(duì)PAN基活性炭纖維的研究也主要集中在以商業(yè)化聚丙烯腈纖維為原料的后續(xù)加工工藝研究(包括預(yù)氧化、碳化溫度、碳化時(shí)間、活化劑的種類及活化條件等)，利用靜電紡絲工藝得到的纖維直徑可達(dá)納米級(jí)(幾十個(gè)納米至幾個(gè)微米)，可以滿足對(duì)纖維直徑有更高要求的領(lǐng)域。經(jīng)檢索利用靜電紡絲將聚丙烯腈和活化劑共混紡絲、碳化活化同時(shí)進(jìn)行制備活性炭纖維的研究還沒有公開報(bào)道。
[0004]目前活性炭纖維的生產(chǎn)過程可以概括為:將各種有機(jī)原料進(jìn)行紡絲制備成纖維前驅(qū)體，對(duì)各種前驅(qū)體纖維進(jìn)行預(yù)氧化處理，之后再高溫碳化，最后經(jīng)活化處理形成活性炭纖維。原料自身，制備工藝的預(yù)處理溫度、碳化溫度、碳化時(shí)間、活化劑濃度、活化溫度、活化時(shí)間對(duì)最終的活性炭纖維制品的比表面積以及孔隙結(jié)構(gòu)都有很大的影響。CN102505403A《一種具有分層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維膜的制備方法》中，將高中孔活性炭材料分散到聚丙烯腈有機(jī)溶劑中利用靜電紡絲的方法制備了聚丙烯腈膜，之后經(jīng)預(yù)氧化、碳化、二氧化碳活化處理制備得到了分層次孔結(jié)構(gòu)活性炭纖維，該發(fā)明在活性炭纖維前驅(qū)纖維的制備過程中使用了靜電紡絲技術(shù)，不過后續(xù)的碳化、活化過程仍是傳統(tǒng)的制備工藝，碳化、活化步驟時(shí)間過長，能耗較大。專利CN102021676A將氫氧化鈦凝膠與聚丙烯腈溶液混合進(jìn)行靜電紡絲，制備了具有光催化性能的二氧化鈦/聚丙烯腈復(fù)合纖維，不過后續(xù)活化仍是采用氫氧化鉀浸泡的方式。利用靜電紡絲將聚丙烯腈和活化劑共混紡絲、之后碳化活化同時(shí)進(jìn)行制備活性炭纖維的研究還沒有公開報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于:利用靜電紡絲技術(shù)，提供一種高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法。[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明提供的高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法，其步驟如下:
[0008]I)將聚丙烯腈原料和活化劑加入到強(qiáng)極性溶劑中，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆虻渺o電紡絲原液；
[0009]所述聚丙烯腈原料、活化劑與強(qiáng)極性溶劑的重量份配比為1:0.1-2:6-12 ；
[0010]所述強(qiáng)極性溶劑為N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺和二甲基亞砜中的一種或幾種的混合；
[0011]所述活化劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氯化鋅、氯化鎂、氯化鈉、氯化鈣、溴化鈉和溴化鋅的一種或幾種的混合。
[0012]2)將靜電紡絲原液在靜電紡絲設(shè)備上紡絲得到納米纖維絲；
[0013]3)將納米纖維在200_250°C空氣氛圍中進(jìn)行預(yù)氧化處理1_2小時(shí)；
[0014]4)將經(jīng)預(yù)氧化的納米纖維絲在保護(hù)性氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫活化處理，所述高溫活化處理溫度為500-800°C ;之后冷卻至室溫，水洗干燥后得到高比表面積微孔活性炭納米纖維。
[0015]所述的保護(hù)性氣體為氮?dú)?、氦氣、氖氣、氬氣和氪氣中的一種或幾種的混合。所述的高溫活化處理的時(shí)間為0.25-3小時(shí)
[0016]本發(fā)明的創(chuàng)新性在于:將聚丙烯腈原料和活化劑加入到強(qiáng)極性溶劑中進(jìn)行共混為靜電紡絲制備有機(jī)纖維前驅(qū)體，之后經(jīng)靜電紡絲、預(yù)氧化、碳化活化、洗滌、烘干等工藝，制備出高比表面積微孔活性炭納米纖維；所制備的高比表面積微孔活性炭納米纖維具有比表面積大，孔徑分布窄、吸附選擇性高的優(yōu)點(diǎn)；且本發(fā)明方法工藝簡單，微孔豐富，節(jié)能環(huán)保；比表面積已完全達(dá)到商業(yè)活性炭纖維的比表面積范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明方法制備的高比表面積微孔活性炭納米纖維的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
[0019]將I重量份的聚丙烯腈原料，0.5重量份的氯化鋅加入到10重量份的N、N- 二甲基乙酰胺溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；
[0020]將一些靜電紡絲原液靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行靜電紡絲得到納米纖維(前驅(qū)體納米纖維)，靜電紡絲參數(shù)為:紡絲針頭G30，紡絲電壓10kV，紡絲距離IOcm ;將前驅(qū)體納米纖維放置在管式爐中，緩慢升溫至250°C，保持I小時(shí)，之后通入氮?dú)?，繼續(xù)以每分鐘10°C的速度升溫至600度，保持I小時(shí)；之后停止管式爐加熱，待降至室溫后，取出產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、干燥，最終制得高比表面積微孔活性炭納米纖維。如圖1所示，在77K下進(jìn)行氮?dú)馕綔y(cè)試比表面積達(dá)到了 766m2/g，完全達(dá)到商業(yè)化活性炭纖維的標(biāo)準(zhǔn)。
[0021]實(shí)施例2
[0022]將I重量份的聚丙烯腈，0.2重量份的氫氧化鈉加入到8重量份的N、N_ 二甲基甲酰胺溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；
[0023]將一些靜電紡絲原液靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行靜電紡絲得到納米纖維(前驅(qū)體納米纖維)；將前驅(qū)體納米纖維放置在管式爐中，緩慢升溫至220°C，保持2小時(shí)，之后通入氮?dú)?，繼續(xù)以每分鐘5°C的速度升溫至500度，保持3小時(shí)；之后停止管式爐加熱，待降至室溫后，取出產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、干燥，最終制得高比表面積微孔活性炭納米纖維。
[0024]實(shí)施例3
[0025]將I重量份的聚丙烯腈，0.15重量份的氫氧化鈉和0.15重量份的溴化鋅加入到12重量份的N、N-二甲基甲酰胺溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；
[0026]將一些靜電紡絲原液靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行靜電紡絲得到納米纖維(前驅(qū)體納米纖維)；將前驅(qū)體納米纖維放置在管式爐中，緩慢升溫至220°C，保持2小時(shí)，之后通入氮?dú)?，繼續(xù)以每分鐘8°C的速度升溫至600度，保持1.5小時(shí)；之后停止管式爐加熱，待降至室溫后，取出產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、干燥，最終制得高比表面積微孔活性炭納米纖維。
[0027]實(shí)施例4
[0028]將I重量份的聚丙烯腈，0.25重量份的氫氧化鉀加入到12重量份的N、N_ 二甲基乙酰胺溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；
[0029]將一些靜電紡絲原液靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行靜電紡絲得到納米纖維(前驅(qū)體納米纖維)；將前驅(qū)體納米纖維放置在管式爐中，緩慢升溫至250°C，保持I小時(shí)，之后通入氦氣，繼續(xù)以每分鐘15°C的速度升溫至800度，保持I小時(shí)；之后停止管式爐加熱，待降至室溫后，取出產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、干燥，最終制得高比表面積微孔活性炭納米纖維。
[0030]實(shí)施例5
[0031]將I重量份的聚丙烯腈，0.2重量份的氯化鈣和0.2重量份的氫氧化鈉加入到6重量份的N、N-二甲基甲酰胺和2重量份的二甲基亞砜組成的混合溶劑中，充分?jǐn)嚢璺稚⒌渺o電紡絲原液；
[0032]將一些靜電紡絲原液靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行靜電紡絲得到納米纖維(前驅(qū)體納米纖維)；將前驅(qū)體納米纖維放置在管式爐中，緩慢升溫至220°C，保持2小時(shí)，之后通入氪氣，繼續(xù)以每分鐘10°C的速度升溫至750度，保持I小時(shí)；之后停止管式爐加熱，待降至室溫后，取出產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、干燥，最終制得高比表面積微孔活性炭納米纖維。
[0033]實(shí)際上，本發(fā)明的高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法中，所使用的強(qiáng)極性溶劑為N，N- 二甲基甲酰胺、N, N- 二甲基乙酰胺和二甲基亞砜中的一種或幾種的混合均可；所使用的活化劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氯化鋅、氯化鎂、氯化鈉、氯化鈣、溴化鈉和溴化鋅的一種或幾種的混合均可；在此不一一贅述。
【權(quán)利要求】
1.一種高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法，其步驟如下: 1)將聚丙烯腈原料和活化劑加入到強(qiáng)極性溶劑中，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆虻渺o電紡絲原液； 所述聚丙烯腈原料、活化劑與強(qiáng)極性溶劑的重量份配比為1:0.1-2:6-12 ； 所述強(qiáng)極性溶劑為N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺和二甲基亞砜中的一種或幾種的混合； 所述活化劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氯化鋅、氯化鎂、氯化鈉、氯化鈣、溴化鈉和溴化鋅的一種或幾種的混合； 2)將靜電紡絲原液在靜電紡絲設(shè)備上紡絲得到納米纖維絲； 3)將納米纖維在200-250°C空氣氛圍中進(jìn)行預(yù)氧化處理1-2小時(shí)； 4)將經(jīng)預(yù)氧化的納米纖維絲在保護(hù)氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫活化處理，所述高溫活化處理溫度為500-80(TC ;之后冷卻至室溫，水洗干燥后得到高比表面積微孔活性炭納米纖維。
2.按權(quán)利要求1所述的高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法，其特征在于，所述的保護(hù)氣體為氮?dú)狻⒑?、氖氣、気氣、氪氣、氣氣和氡氣中的一種或幾種的混合。
3.按權(quán)利要求1 所述的活性炭納米纖維的制造方法，其特征在于，所述的高溫活化處理的時(shí)間為0.25-3小時(shí)。
【文檔編號(hào)】D01F9/22GK104018249SQ201410256291
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】趙陽, 肖紅梅, 渠成兵, 付紹云 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所