本發(fā)明涉及一種碳纖維，進一步詳細而言涉及一種采用水熱碳化法將廢棄竹筷制備成碳纖維，屬于納米材料領域。

背景技術：

當今世界傳統(tǒng)能源如石油、煤炭等消耗的速度過快，剩余的一次能源已經(jīng)不能滿足人類日益發(fā)展的經(jīng)濟社會的需要，我們急需尋找一種綠色環(huán)保、價格便宜的可再生能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。而生物質(zhì)碳材料具有一些非常優(yōu)秀的特點，可以滿足我們?nèi)祟惖男枰?。所以，尋找可再生的新能源對我們來說尤為重要。而竹筷作為生物質(zhì)資源的一種，在中國可以說是隨處可見，但是人們卻沒有妥善處理這些廢棄的竹筷，很多竹筷都被當作垃圾直接燃燒或者填埋，這是對寶貴的生物質(zhì)資源的巨大浪費。發(fā)明利用水熱碳化法將廢棄竹筷制備成為新型的生物質(zhì)碳材料，變廢為寶，提高廢棄竹筷的合理利用率，為解決中國的能源危機提出新的思路與方法。

到目前為止，存在著非常多的生物質(zhì)碳材料的制備方法，當前最普遍的制備方法主要有熱分解法、微波碳化法、氣相沉積法和水熱碳化法等。水熱碳化法是以生物質(zhì)為原料，水為反應介質(zhì)，在密封的容器中，一定的溫度條件下，在水自身和惰性氣體產(chǎn)生的壓力加壓下，發(fā)生復雜的反應，從而將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)碳材料的方法。水熱碳化法具有以下優(yōu)點：(1)水熱碳化法對設備要求較低，并且操作簡單，過程比較好控制；(2)水熱碳化法的過程中，其自身的反應會釋放一部分能量，從而降低了該法所需要的能量，因此水熱碳化法能耗較低；(3)水熱反應主要是脫水過程，可有效固定廢棄生物質(zhì)中的c，所以它的效率要高于其他傳統(tǒng)方法，水熱碳化法也相當綠色環(huán)保，產(chǎn)生的污染較少；(4)水熱碳材料不同于熱分解法，它對生物質(zhì)中的o、n等元素有較好的保護，所以它表面的含氧官能團數(shù)量要明顯多于其他方法所制備的生物質(zhì)碳材料。這些優(yōu)點也使得制備的材料能夠廣泛的應用于多種領域。

技術實現(xiàn)要素：

將從食堂收集過來的廢棄竹筷清洗干凈，用小刀削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)，放入電熱恒溫干燥箱，在40-60℃下干燥2-4小時，將烘干后的竹屑投入到裝有3-5mol/lkoh反應溶劑的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子，將水熱釜放入溫度設定為160-200℃的電熱恒溫干燥箱中，2-4h后取出，冷卻到室溫，取出樣品，用高純水洗滌并過濾，至濾液ph＝7，然后將樣品放入溫度為50-80℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重，得到的樣品放入潔凈的陶瓷坩堝中，放入高溫氣氛管式爐，通入純度為99.99％的高純氮氣。在氮氣流量為100-200ml/min的條件下，將管式爐以6-10℃/min的速率從室溫升到700-1000℃，保持溫度4-8h進行碳化，碳化結(jié)束后，取出坩堝中的樣品，用3-5mol/l的稀鹽酸洗滌過濾，并在60-90℃的條件下烘干2-4h，得到最終的碳纖維材料。

上述反應溶劑除了koh外，還可以為naoh。

經(jīng)稱量樣品實驗前后的質(zhì)量后得到，竹材料的質(zhì)量損失率為43-49％。

將得到碳纖維進行xrd、sem、拉曼光譜和紅外光譜等物理性能表征。

將碳纖維材料進行xrd表征，取樣品適量放于儀器載物臺上，調(diào)整工作電壓電流分別為40kv，250ma，掃描速度為10°/min，掃描范圍2θ為10°～80°，對碳纖維材料進行掃描，得到物料的xrd圖譜，從圖中可以看出，在20°左右出現(xiàn)一個較寬衍射峰，對應的晶面為(002)，這說明制備出的碳纖維材料的主要存在形式為無定型碳，在圖譜的44°也存在衍射峰，它對應著石墨的(100)晶面，這表示樣品具有一定的石墨化度，從圖譜中可以得到碳纖維中的晶面以(002)為主。將來自(002)晶面的x射線衍射強度設為i(002)，來自(100)晶面的x射線衍射強度設為i(100)時，滿足2.5≤[i(002)/i(100)]≤2.9。

將碳纖維材料進行sem形貌特征分析，對碳纖維材料放大3000倍與30000倍得到相應的sem圖。觀察圖片可以發(fā)現(xiàn)，我們所制備的碳材料主要是纖維結(jié)構(gòu)，碳纖維的分布比較均勻，碳纖維的長度可達20-200μm，直徑大約3-5μm，并且碳纖維表面分布著大量的褶皺。這說明它可以作為一種新型材料應用于吸附材料或電池的電極材料當中。

將碳纖維材料進行拉曼光譜分析，取樣品適量置于載玻片上，用蓋玻片壓平后置于載物臺上，調(diào)整觀察角度，得到拉曼光譜圖。觀察圖片可以發(fā)現(xiàn)，有兩個峰比較明顯?？孔髠?cè)的對應拉曼位移1360cm^-1處的峰被稱為d峰，作用是可以體現(xiàn)出碳材料的晶體結(jié)構(gòu)中缺陷的數(shù)量，缺陷數(shù)量越多就說明樣品的無序化程度越高。而右側(cè)的對應拉曼位移1600cm^-1處的為g峰，說明了碳材料具有一定的石墨化度，同時也驗證了xrd衍射分析的結(jié)果。在實驗研究中，我們將d峰與g峰強度比值id/ig當作碳基材料的混亂度因子。樣品id/ig的值為1.0-1.1，這說明材料內(nèi)部具有一定的缺陷。

將碳纖維材料進行傅立葉紅外光譜分析，傅立葉變換紅外光譜(ftir)可以研究分子的結(jié)構(gòu)和化學鍵，如力常數(shù)的測定和分子對稱性等，利用紅外光譜方法可測定分子的鍵長和鍵角，并由此推測分子立體構(gòu)型。根據(jù)所得的力常數(shù)可推知化學鍵的強弱，由簡正頻率計算熱力學函數(shù)等。根據(jù)碳纖維材料的傅立葉紅外光譜圖可以發(fā)現(xiàn)，樣品在3200-3500cm-¹處存在一個峰，這是羥基的吸收峰，在1610cm-¹和1730cm-¹處的吸收峰屬于c＝c(芳香環(huán))振動峰和c＝o(酯、羧基或者羰基)振動峰，說明了生物質(zhì)碳材料表面有較多的活性官能團，具有一定的功能性。

相對現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明采用3-5mol/lkoh溶液為溶劑制備出竹纖維，竹材料的質(zhì)量損失率為43-49％。對碳纖維進行物理性能表征，我們發(fā)現(xiàn)，碳化后的材料碳纖維分散均勻，長度可達20-200μm，直徑大約3-5μm，樣品表面存在著大量褶皺，而且具有一定的石墨化度，主要以無定型碳為主，表面還有大量的含氧官能團。這些都說明它作為一種新型材料具有一定的研究價值。并且，廢棄竹筷的來源廣泛，價格便宜，卻一直沒有得到人類妥善的處理。本發(fā)明得到的這種新型材料可以作為電極材料或者吸附材料，具有重要的研究意義。

附圖說明

【圖1】為不同濃度koh溶液處理的竹材料的數(shù)碼照片；

【圖2】為碳纖維的xrd圖譜；

【圖3】為碳纖維在不同放大倍數(shù)下的sem圖(a)放大3000倍，(b)放大30000倍；

【圖4】為碳纖維的拉曼光譜圖；

【圖5】碳纖維的紅外光譜圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例1

將收集來的一次性竹筷清洗干凈，并削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)，并在50℃下干燥3h。之后，將1g竹屑投入到裝有70ml的3mol/lkoh溶液的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子。將水熱釜放入溫度設定為180℃的電熱恒溫干燥箱中，4h后取出。待水熱釜冷卻到室溫后，擰開蓋子，打開水熱罐，取出樣品，用高純水洗滌并過濾，至濾液ph＝7，然后將樣品放入溫度為60℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重。將樣品放入洗凈的坩堝中，蓋緊上蓋，放入高溫氣氛管式爐中。檢查管式爐的氣密性，通入99.99％的高純氮氣。調(diào)整氮氣流量為150ml/min后，將管式爐以8℃/min的速率從室溫升到800℃，碳化過程中要保證氮氣充足不斷。升至800℃后，保持溫度4h。碳化結(jié)束后，取出坩堝中的樣品，用4mol/l的稀鹽酸洗滌過濾，并在80℃烘干2h，得到碳纖維材料。

實施例2

將竹筷清洗干凈，削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)，放入電熱恒溫干燥箱，在40℃下干燥2小時，將烘干后的竹屑投入到裝有5mol/lkoh反應溶劑的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子，將水熱釜放入溫度設定為160℃的電熱恒溫干燥箱中，4h后取出，冷卻到室溫，取出樣品，洗滌抽濾至濾液為中性，然后將樣品放入溫度為50℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重，后將樣品轉(zhuǎn)移至潔凈的坩堝中，放入高溫氣氛管式爐，通入純度為99.99％的高純氮氣。設定氮氣流量為100ml/min，并將管式爐以6℃/min的速率從室溫升到1000℃，保持溫度4h進行碳化，碳化結(jié)束后，取出坩堝中的樣品，用4mol/l的稀鹽酸洗滌過濾，并在60℃下烘干4h，得到碳纖維材料。

實施例3

將竹筷清洗干凈，削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)，放入電熱恒溫干燥箱，在60℃下干燥4小時，將烘干后的竹屑投入到裝有4mol/lkoh反應溶劑的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子，將水熱釜放入溫度設定為200℃的電熱恒溫干燥箱中，2h后取出，冷卻到室溫，取出樣品，用高純水洗滌并過濾，至濾液ph＝7，然后將樣品放入溫度為80℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重，將樣品放入潔凈的坩堝中，放入高溫氣氛管式爐，通入氣體流量為200ml/min的99.99％的高純氮氣。將管式爐以10℃/min的速率從室溫升到800℃，保持溫度4h進行碳化，碳化結(jié)束后，取出坩堝中的樣品，用4mol/l的稀鹽酸洗滌過濾，并在70℃烘干3h，得到碳纖維材料。

實施例4

將收集來的一次性竹筷清洗干凈，并削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)。之后，將1g竹屑投入到裝有70ml的6mol/lkoh溶液的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子。將水熱釜放入溫度設定為180℃的電熱恒溫干燥箱中，2h后取出。待水熱釜冷卻到室溫后，擰開蓋子，打開水熱罐，取出樣品，用高純水洗滌并過濾，至濾液為中性，然后將樣品放入溫度為50℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重。將樣品放入洗凈的坩堝中，蓋緊上蓋，放入高溫氣氛管式爐中。檢查管式爐的氣密性，通入99.99％的高純氮氣，調(diào)整氣體流量為120ml/min。將管式爐以9℃/min的速率從室溫升到800℃，碳化過程中要保證氮氣充足不斷。升至800℃后，保持溫度4h。碳化結(jié)束后，取出坩堝中的樣品，用3.5mol/l的稀鹽酸洗滌過濾，并在90℃烘干2h，得到碳纖維材料。

實施例5

將竹筷清洗干凈，削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)，放入電熱恒溫干燥箱，在60℃下干燥4小時，將烘干后的竹屑投入到裝有3mol/lkoh反應溶劑的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子，將水熱釜放入溫度設定為200℃的電熱恒溫干燥箱中，2h后取出，冷卻到室溫，取出樣品，洗滌過濾至濾液為中性，然后將樣品放入溫度為80℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重，將樣品放入潔凈的坩堝中，放入高溫氣氛管式爐，通入氣體流量為160ml/min的99.99％的氮氣。將管式爐以10℃/min的速率從室溫升到800℃，保持溫度4h進行碳化，碳化結(jié)束后，取出坩堝中的樣品，用稀鹽酸洗滌過濾并烘干，得到碳纖維材料。

實施例6

將竹筷清洗干凈，削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)，放入電熱恒溫干燥箱，在60℃下干燥4小時，將烘干后的竹屑投入到裝有2mol/lkoh反應溶劑的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子，將水熱釜放入溫度設定為200℃的電熱恒溫干燥箱中，2h后取出，冷卻到室溫，取出樣品，用高純水洗滌并過濾，至濾液ph＝7，然后將樣品放入溫度為80℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重，竹材料的損失率為39.2％，竹材料并沒有變?yōu)槔w維狀。

實施例7

將竹筷清洗干凈，削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)，放入電熱恒溫干燥箱，在60℃下干燥4小時，將烘干后的竹屑投入到裝有1mol/lkoh反應溶劑的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子，將水熱釜放入溫度設定為200℃的電熱恒溫干燥箱中，2h后取出，冷卻到室溫，取出樣品，用高純水洗滌并過濾，至濾液ph＝7，然后將樣品放入溫度為80℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重，竹材料的損失率為36.5％，竹材料并沒有變?yōu)槔w維狀。

實施例8

將竹筷清洗干凈，削成竹屑狀(長2cm，寬0.3cm，厚0.05cm)，放入電熱恒溫干燥箱，在60℃下干燥4小時，將烘干后的竹屑投入到裝有3mol/lnaoh反應溶劑的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓水熱釜中，擰緊蓋子，將水熱釜放入溫度設定為200℃的電熱恒溫干燥箱中，2h后取出，冷卻到室溫，取出樣品，用高純水洗滌并過濾，至濾液為中性，然后將樣品放入溫度為80℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重，將樣品放入潔凈的坩堝中，放入高溫氣氛管式爐，通入氣體流量為140ml/min的99.99％的氮氣。將管式爐以10℃/min的速率從室溫升到800℃，保持溫度4h進行碳化，碳化結(jié)束后，取出坩堝中的樣品，用4mol/l的稀鹽酸洗滌過濾，并在70℃烘干3h，得到碳纖維材料。

實施例9

按照實施例1中的實驗條件。僅改變koh的濃度，其濃度為1mol/l、2mol/l、4mol/l、5mol/l和6mol/l。觀察實驗后的竹纖維，對比實驗數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，1mol/l與2mol/l在實驗前后的質(zhì)量損失率為36.5％和39.2％，雖然比其他濃度的koh溶液的低，但從圖1中我們可以很明顯的看出，竹材料并沒有變?yōu)槔w維狀，因此較低濃度的koh溶液不能將竹纖維提取出來。而4mol/l、5mol/l和6mol/l可以完全提取出竹屑中的竹纖維，但是實驗后的質(zhì)量損失率達到了47.4％、48.9％和54.6％。根據(jù)以上數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，竹材料的質(zhì)量損失與koh溶液的濃度是高度相關的，1mol/lkoh溶液條件下竹材料的質(zhì)量損率只有36.5％，6mol/lkoh溶液達到了驚人的54.6％。因此，koh溶液濃度越高，竹材料的質(zhì)量損失就越大。而3-5mol/lkoh溶液不僅可以提取出竹纖維，它的質(zhì)量損失也比6mol/lkoh溶液低?？紤]到制造竹纖維的效率以及成本，最終選擇3-5mol/lkoh溶液處理過的竹材料進行碳化并進行物理性能表征。