專利名稱：一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于活性炭纖維吸附材料及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu) 的多孔活性炭纖維吸附材料及其制備。
背景技術(shù)：
活性炭纖維(ACF)，亦稱纖維狀活性炭，是性能優(yōu)于活性炭的高效活性吸附材料和 環(huán)保工程材料，其超過50%的碳原子位于內(nèi)外表面，構(gòu)筑成獨(dú)特的吸附結(jié)構(gòu)，被稱為表面性 固體。它是由纖維狀前驅(qū)體，經(jīng)一定的程序炭化活化而成。較發(fā)達(dá)的比表面積和較窄的孔 徑分布使得它具有較快的吸附脫附速度和較大的吸附容量，且由于它可方便地加工為氈、 布、紙等不同的形狀，并具有耐酸堿耐腐蝕特性，使得其一問世就得到人們廣泛的關(guān)注和深 入的研究。目前已在環(huán)境保護(hù)、催化、醫(yī)藥、軍工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前纖維狀的活性炭纖維強(qiáng)度基本不超過0. 2GPa,而具有大孔的ACF強(qiáng)度指標(biāo)更 低，基本達(dá)不到0. lGPa。ACF表面不同的孔徑能賦予活性碳纖維不同的吸附性能。目前在大 孔的制備方面已經(jīng)有所突破，基本上是在原材料中添加擴(kuò)孔催化劑達(dá)到獲得大孔的目的， 但是已有制備工藝中大孔的產(chǎn)生容易造成強(qiáng)度的損失，過低的強(qiáng)度也嚴(yán)重影響了 ACF的使 用范圍和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸 附材料及其制備，該吸附材料強(qiáng)度可控制在0. 3-0. 6Gpa，表層呈多孔結(jié)構(gòu)，在延長(zhǎng)材料使用 壽命的同時(shí)，也有利于負(fù)載生物細(xì)胞；且制備方法易于操控，活化工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明的一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料，其結(jié)構(gòu)組成包 括表層為具有大孔的碳纖維，芯層為無孔的碳纖維，其中表層所占截面積比控制在 10% -40%，且截面分布有孔洞。所述的碳纖維為粘膠基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維或浙青基碳纖維，優(yōu)選的碳纖 維是粘膠基碳纖維，碳纖維強(qiáng)度為o. 4GPa 0. 8Gpa ；所述的多孔活性炭纖維吸附材料，其表層大孔的孔徑為50 600nm，比表面積達(dá) 到 1000 2000m2/go本發(fā)明的一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料的制備方法，包括(1)將上述碳纖維浸漬在鈉鹽的水溶液中2 4小時(shí)，其中鈉鹽的濃度為0. lmol/ L 飽和濃度；(2)將上述碳纖維放入活化爐中，在惰性氣體保護(hù)條件下加熱至800 1100°C，升 溫速率為5 20°C /min，通入水蒸氣恒溫活化處理0. 5 2小時(shí)；(3)降溫到200°C后，關(guān)閉惰性氣體和水蒸汽，制得多孔活性炭纖維吸附材料。
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所述步驟(1)中的鈉鹽選自磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸鈉、氯化鈉、硝酸鈉、硫 酸鈉中的一種或幾種的混合物，濃度為0. lmol/L 2. Omol/L。本發(fā)明在原有制備大孔活性碳纖維的基礎(chǔ)上，直接采用碳纖維作為原料，通過調(diào) 控鹽的濃度和活化條件來控制孔的尺寸和位置，制備具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的活性炭纖維吸附材 料；表層為多孔的活性碳纖維，孔洞賦予材料吸附性能，芯層為碳纖維強(qiáng)度骨架，該結(jié)構(gòu)保 證了該材料同時(shí)具有較好的吸附性能和較高的強(qiáng)度。有益效果(1)本發(fā)明的吸附材料強(qiáng)度可控制在0. 3-0. 6Gpa，表層呈多孔結(jié)構(gòu)，在延長(zhǎng)材料 使用壽命的同時(shí)，也有利于負(fù)載生物細(xì)胞；(2)該材料的制備方法易于操控，活化工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1為不同孔洞分布的吸附材料電鏡照片；其中，(a)為表面孔洞分布，(b)為截面孔洞分布；圖2為本發(fā)明吸附材料的“皮芯”結(jié)構(gòu)模型示意圖；其中，表層為多孔的活性碳纖維，芯層為碳纖維；圖3為實(shí)施例1的材料截面照片；圖4為實(shí)施例2的材料截面照片；圖5為實(shí)施例3的材料截面照片；圖6為實(shí)施例4的材料截面照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實(shí)施例1將強(qiáng)度為0. 7GPa的粘膠基碳纖維置于0. 1M的Na3P04溶液中靜置3小時(shí)，再放入 活化爐中，通入水蒸汽和N2，以20°C /min的速率升溫到1000°C，通入水蒸氣恒溫活化處理 0. 5小時(shí)，降溫到200°C后，關(guān)閉惰性氣體和水蒸汽，制得多孔活性炭纖維吸附材料。圖3為本實(shí)施例吸附材料的電鏡照片，表層上孔徑為50nm <孔徑< 300歷，強(qiáng)度達(dá) 到0. 4GPa，比表面積為1030m2/go實(shí)施例2將強(qiáng)度為0. 7GPa的粘膠基碳纖維置于0. 2M的NaH2P04溶液中靜置2小時(shí)，再放入 活化爐中，通入水蒸汽和N2，以10°C /min的速率升溫到1000°C，通入水蒸氣恒溫活化處理 1小時(shí)，降溫到200°C后，關(guān)閉惰性氣體和水蒸汽，制得多孔活性炭纖維吸附材料。圖4為本實(shí)施例吸附材料的電鏡照片，表層上孔徑為lOOnm <孔徑< 500nm，強(qiáng)度 達(dá)到0. 3GPa，比表面積為1100m2/g。實(shí)施例3
將強(qiáng)度為0. 7GPa的粘膠基碳纖維置于0. 1M的Na2HP04溶液中靜置4小時(shí)，再放入 活化爐中，通入水蒸汽和N2，以10°C /min的速率升溫到1000°C，通入水蒸氣恒溫活化處理 0. 5小時(shí)，降溫到200°C后，關(guān)閉惰性氣體和水蒸汽，制得多孔活性炭纖維吸附材料。圖5為本實(shí)施例吸附材料的電鏡照片，表層上孔徑為50nm <孔徑< 300歷，強(qiáng)度達(dá) 到0. 4GPa，比表面積為1280m2/g。實(shí)施例4將強(qiáng)度為0. 7GPa的粘膠基碳纖維置于0. 1M的NaH2P04和Na2HP04的混合溶液中靜 置2小時(shí)，再放入活化爐中，通入水蒸汽和N2，以5°C /min的速率升溫到1100°C，通入水蒸 氣恒溫活化處理0. 5小時(shí)，降溫到200°C后，關(guān)閉惰性氣體和水蒸汽，制得多孔活性炭纖維 吸附材料。圖6為本實(shí)施例吸附材料的電鏡照片，表層上孔徑為50nm <孔徑< 200歷，強(qiáng)度達(dá) 到0. 3GPa,比表面積為1520m2/go
權(quán)利要求
一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料，其結(jié)構(gòu)組成包括表層為具有大孔的碳纖維，芯層為無孔的碳纖維，其中表層所占截面積比控制在10％-40％，且截面分布有孔洞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料，其特 征在于所述的碳纖維為粘膠基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維或浙青基碳纖維，碳纖維強(qiáng)度為 0. 4GPa 0. 8Gpa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料，其特征 在于所述的多孔活性炭纖維吸附材料，其表層大孔的孔徑為50 600nm，比表面積達(dá)到 1000 2000m2/g。
4.一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料的制備方法，包括(1)將上述碳纖維浸漬在鈉鹽的水溶液中2 4小時(shí)，其中鈉鹽的濃度為0.lmol/L 飽和濃度；(2)將上述碳纖維放入活化爐中，在惰性氣體保護(hù)條件下加熱至800 1100°C，升溫速 率為5 20°C /min，通入水蒸氣恒溫活化處理0. 5 2小時(shí)；(3)降溫到200°C后，關(guān)閉惰性氣體和水蒸汽，制得多孔活性炭纖維吸附材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料的制備 方法，其特征在于所述步驟(1)中的鈉鹽選自磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸鈉、氯化鈉、 硝酸鈉、硫酸鈉中的一種或幾種的混合物，濃度為0. lmol/L 2. Omol/L。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔活性炭纖維吸附材料，其結(jié)構(gòu)組成包括表層為具有大孔的碳纖維，芯層為無孔的碳纖維；其中表層所占截面積比控制在10％-40％，且截面分布有孔洞。制備包括(1)將碳纖維浸漬在鈉鹽的水溶液中2～4小時(shí)，然后放入活化爐中，(2)在惰性氣體保護(hù)條件下加熱至800～1100℃，通入水蒸氣恒溫活化處理0.5～2小時(shí)；(3)降溫到200℃后，關(guān)閉惰性氣體和水蒸汽，制得多孔活性炭纖維吸附材料。本發(fā)明的吸附材料強(qiáng)度高達(dá)0.3-0.6Gpa，表層呈多孔結(jié)構(gòu)，在延長(zhǎng)材料使用壽命的同時(shí)，也有利于負(fù)載生物細(xì)胞等較大尺寸分子；且制備方法易于操控，活化工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B01J20/30GK101844070SQ201010169520
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者嚴(yán)成, 吳琪琳, 王光學(xué), 石彥平, 韓浩 申請(qǐng)人:東華大學(xué)