專利名稱：活性碳纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備活性碳纖維的方法。
活性碳纖維具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能特征，在化工、環(huán)保、國防軍工、電子以及能源等領(lǐng)域有著廣泛的用途，因而自六十年代問世以來就受到人們的高度重視，七十年代后得予迅速發(fā)展?；钚蕴祭w維的制備方法也是多年來人們努力研究的重點課題之一。但長期以來，由于成本和價格較高，限制了活性碳纖維的廣泛應(yīng)用。為了解決活性碳纖維價格較高的問題，人們從改變生產(chǎn)設(shè)備、改變預(yù)處理劑等方面作了許多研究。本申請人也在92105858.4號專利申請中介紹了一種內(nèi)膽密封式兩段法制備活性碳纖維的工藝，從縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率方面達到了降低生產(chǎn)成本的效果。然而，以往的方法一般是在高純氮氣(或氬氣)的保護下進行碳化和活化。采用高純氮氣(或氬氣)作為保護氣，不僅成本高，而且要構(gòu)置高純氮氣(或氬氣)儲瓶，增加了設(shè)備投資。況且，在沒有高純氮(活性氣)氣源的地方，更造成活性碳纖維生產(chǎn)上的困難。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的制備活性碳纖維的方法，它可以用價廉易得的氣體代替氮氣(或氬氣)作為保護氣，從而達到方便生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本的效果。
在以往的活性碳纖維制備方法中，因為水蒸汽對碳纖維具有氧化刻蝕作用，所以它只是被用來作為活化階段的活化氣體，不用作保護氣。但是，本發(fā)明的發(fā)明人在研究工作中發(fā)現(xiàn)，水蒸汽對碳(碳纖維)的氧化刻蝕反應(yīng)受溫度的影響很大。一般，在溫度低于600℃時，水蒸氣與碳的反應(yīng)速度幾乎可以忽略，只有當(dāng)溫度高于700℃時，水蒸汽對碳的氧化刻蝕作用才比較明顯。本發(fā)明就是居于這一事實而作出的。
本發(fā)明的基本措施是以水蒸汽代替惰性氣體(氮氣或氬氣)作為保護氣，并使水蒸汽經(jīng)過纖維原料的線速度(以下簡稱為水蒸汽流速)為10～100厘米/分。具體方法是將經(jīng)預(yù)處理的纖維原料在水蒸汽保護下升溫至800～950℃，使纖維反應(yīng)碳化，然后在活化溫度下活化，活化完畢，繼續(xù)在水蒸汽保護下降溫，最后取出產(chǎn)品。本發(fā)明的方法可以在內(nèi)膽密封式兩段法工藝設(shè)備或單爐間歇式工藝上實行，也可以在連續(xù)式生產(chǎn)設(shè)備上實行。
當(dāng)采用內(nèi)膽密封式兩段法工藝設(shè)備時，本發(fā)明的方法為將經(jīng)預(yù)處理的纖維原料置于爐膽中，先預(yù)通水蒸汽置換空氣，5～10分鐘后將爐膽放入低溫爐中反應(yīng)20～60分鐘，再移入高溫爐中反應(yīng)20～40分鐘、活化40～90分鐘，反應(yīng)及活化完畢，將爐膽吊出，繼續(xù)在水蒸汽保護下降溫，最后取出產(chǎn)品。工藝過程中通入的水蒸汽流速為10～100厘米/分;通常低溫爐溫度為200～500℃，高溫爐溫度為800～950℃。
當(dāng)采用單爐間歇式工藝設(shè)備時，本發(fā)明的方法為將經(jīng)預(yù)處理的纖維原料置于爐膛中，預(yù)通水蒸汽置換空氣，繼續(xù)通入水蒸汽并加熱升溫至800～950℃，恒溫反應(yīng)活化40～90分鐘，然后停止加熱，繼續(xù)在水蒸汽保護下降溫，最后取出產(chǎn)品。通入的水蒸汽流速為10～100厘米/分。
當(dāng)采用連續(xù)式工藝設(shè)備時，本發(fā)明的方法為將爐膛按碳化段(室)、活化段(室)和冷卻段(室)分別控制在預(yù)定的溫度，將水蒸汽通入冷卻段(室)、活化段(室)和碳化段(室)，水蒸汽經(jīng)過各段(室)的流速為10～100厘米/分，將經(jīng)過預(yù)處理的纖維原料載于樣品架上或直接牽引連續(xù)通過碳化段(室)、活化段(室)和冷卻段(室)。活性碳纖維從爐出口連續(xù)產(chǎn)出。
控制工藝過程中不同階段通入水蒸汽的流速，可以獲得不同結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)的產(chǎn)品。
當(dāng)在內(nèi)膽密封式兩段法工藝設(shè)備上實行時，各階段的水蒸汽流速分別可以是預(yù)通階段10～80厘米/分，低溫爐階段20～80厘米/分，高溫爐反應(yīng)階段20～80厘米/分，高溫爐活化階段10～100厘米/分，降溫階段10～100厘米/分。當(dāng)在單爐間歇式工藝設(shè)備上實行時，各階段的水蒸汽流速分別可以是預(yù)通及升溫階段10～80厘米/分，恒溫反應(yīng)活化階段10～100厘米/分，降溫階段10～100厘米/分。當(dāng)在連續(xù)式工藝設(shè)備上實行時，水蒸汽可以是按冷卻段(室)、活化段(室)、碳化段(室)的方向連續(xù)通入爐中，也可以分別通入每一段(室)。水蒸汽在各段(室)的流速為10～100厘米/分。
本發(fā)明方法由于使用水蒸汽作為保護氣而不用高純氮氣，因此可使生產(chǎn)成本明顯降低，并且方便生產(chǎn)。此外，在水蒸汽保護下冷卻降溫時，由于水蒸汽帶走更多熱量，因而比在氮氣保護下冷卻降溫速度更快，相對縮短了生產(chǎn)周期。
使用本發(fā)明方法，活性碳纖維產(chǎn)率可控制在14～20%(Wt)、比表面積可控制在900～1500米2/克。本發(fā)明方法還適用于生產(chǎn)活性碳氈、布、紙等不同形式的活性碳纖維材料。
以下通過實施例對本發(fā)明作進一步說明本發(fā)明的實施例1至12的工藝條件和結(jié)果如表1和表2所示。各實施例是在內(nèi)膽密封式兩段法工藝設(shè)備上進行，具體的工藝步驟為取原料纖維220克，用5%磷酸氫二銨浸泡，過濾烘干后，放置于爐膽中，密封，預(yù)通水蒸汽5分鐘置換空氣，繼續(xù)通水蒸汽，并按設(shè)定的溫度和時間依次將爐膽放入低溫爐和高溫爐中反應(yīng)和活化，反應(yīng)和活化完畢，吊出爐膽，在水蒸汽保護下自然降溫，然后取出產(chǎn)品。工藝過程中不同階段控制不同的水蒸汽流速。
實施例13，采用單爐間歇式工藝設(shè)備進行，取原料纖維43.5克，用5%磷酸氫二銨浸泡，過濾烘干后，放置于管式爐中，按37厘米/分的流速通入水蒸汽置換空氣，繼續(xù)通水蒸汽，并加熱升溫至850℃，恒溫反應(yīng)活化60分鐘，然后在水蒸汽保護下自然降溫，最后取出產(chǎn)品。測得產(chǎn)品得率為13.3%(Wt)，比表面積為1150米3/克，對四氯化碳的吸附量為1181毫克/克。
表1 實施例1～6
表2 實施例7～1權(quán)利要求
1.一種制備活性碳纖維的方法，將經(jīng)預(yù)處理的纖維原料在保護氣保護下升溫至800～950℃使纖維反應(yīng)碳化，然后在活化溫度下通入水蒸汽活化，活化完畢，在保護氣保護下降溫冷卻，取出產(chǎn)品，本發(fā)明的特征是以水蒸汽作為保護氣，通入的水蒸汽經(jīng)過纖維原料的線速度為10～100厘米/分。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是采用內(nèi)膽密封式兩段法工藝設(shè)備，將經(jīng)預(yù)處理的纖維原料放置于爐膽中，通入水蒸汽，5～10分鐘后將爐膽放入低溫爐中反應(yīng)20～60分鐘，再移入高溫爐中反應(yīng)20～40分鐘、活化40～90分鐘，然后吊出爐膽，繼續(xù)在水蒸汽保護下降溫，最后取出產(chǎn)品。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征是工藝過程中不同階段通入的水蒸汽經(jīng)過纖維原料的線速度分別為預(yù)通階段10～80厘米/分，低溫爐反應(yīng)階段20～80厘米/分，高溫爐反應(yīng)階段20～80厘米/分，高溫爐活化階段10～100厘米/分，降溫階段10～100厘米/分。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是采用單爐間歇式工藝設(shè)備，將經(jīng)預(yù)處理的纖維原料放置于爐膛中，通入水蒸汽，加熱升溫至800～950℃，恒溫反應(yīng)活化40～90分鐘，然后停止加熱，繼續(xù)在水蒸汽保護下降溫，最后取出產(chǎn)品。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特征是工藝過程中不同階段通入的水蒸汽經(jīng)過纖維原料的線速度分別為預(yù)處理及升溫階段10～80厘米/分，恒溫反應(yīng)活化階段10～100厘米/分，降溫階段10～100厘米/分。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是采用連續(xù)式工藝設(shè)備，將爐膛按碳化段(室)、活化段(室)和冷卻段(室)分別控制在預(yù)定的溫度，水蒸汽以10～100厘米/分的流速按冷卻段(室)、活化段(室)和碳化段(室)的方向連續(xù)通入爐中，或者分別通入每一段(室)，經(jīng)預(yù)處理的纖維原料連續(xù)經(jīng)過碳化段(室)碳化、活化段(室)活化和冷卻段(室)降溫，從爐出口得到產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備活性碳纖維的方法。其特征是以水蒸汽代替以往使用的惰性氣體作為保護氣。從而達到降低生產(chǎn)成本，方便生產(chǎn)的目的。本發(fā)明的方法可以在現(xiàn)有的工藝設(shè)備，例如內(nèi)膽密封式兩段法工藝設(shè)備、單爐間歇式工藝設(shè)備以及連續(xù)式工藝設(shè)備上實施。
文檔編號D01F9/00GK1083132SQ9310603
公開日1994年3月2日 申請日期1993年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月16日
發(fā)明者符若文, 陸耘, 曾漢民 申請人:中山大學(xué)