[發明專利]一種木質活性碳纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201310217940.1
• 申請日: 2013-06-03
• 公開（公告）號: CN103290526A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 張文博
• 申請（專利權）人: 北京林業大學
• 主分類號: D01F9/17
• 分類號: D01F9/17
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王朋飛

技術領域

本發明涉及化工及新材料領域，具體地說，涉及一種木質活性碳纖維的制備方法。

背景技術

活性碳纖維（ACF）是20世紀60年代發展起來的一種性能優于粉末活性炭和粒狀活性炭的新型吸附材料。該材料的特性包括：孔徑分布窄、微孔豐富、具有大的比表面積、獨特的表面化學性質和吸附脫附速度快等。正是由于這些特性，近年來活性碳纖維得到了迅速的發展，廣泛應用于各個領域。碳纖維產業對國民經濟發展具有極為重要的戰略意義，然而碳纖維材料的原料主要依賴于化石資源。隨著人們環保意識的增強及化石資源的逐漸枯竭，研究熱點逐漸轉向利用可再生資源替代化石資源制備碳纖維的領域。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用木質生物質為原料通過物理活化制備木質活性碳纖維的方法。

為了實現本發明目的，本發明的一種木質活性碳纖維的制備方法，其是將木粉置于液化裝置中，加入多元醇混合物為液化劑，在酸催化條件下制備液化物；加入合成劑合成紡絲液后、熔融紡絲，制得纖維原絲；最后將原絲置于碳化、活化裝置中，以水蒸氣作為活化劑制備獲得木質活性碳纖維。

具體地，本發明的一種木質活性碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

1）將木材粉碎后得到木粉，將木粉與多元醇按照重量比1:1.5-6混合，加入酸性催化劑，在150℃-180℃下攪拌液化60min-90min，得到木材液化物原液；2）向上述原液中加入原液重量40%-60%的有機溶劑進行稀釋，然后在103℃±2℃下干燥8h-12h（優選12h），得到除去水分后的木材液化物；3）向上述木材液化物中加入液化物重量20%-40%的合成劑后，從室溫加熱至100℃-120℃，恒溫反應30min-60min（優選30min），得到木材液化物紡絲液；4）向上述紡絲液中加入紡絲液重量5%-15%（優選10%）的擴鏈劑后，加熱至40-60℃時熔融紡絲，得到纖維原絲；5）將纖維原絲置于活化裝置中，在氮氣保護下，加熱至700℃-900℃進行碳化，同時通入水蒸氣進行活化，即得木質活性碳纖維。

其中，步驟1）中使用的多元醇為聚乙二醇與丙三醇按重量比7:3配制成的多元醇混合物；聚乙二醇為PEG200-6000，即平均分子量在200到6000的聚乙二醇高聚物的一種或多種。

步驟2）中使用的有機溶劑為二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或二甲基亞砜等中的一種或多種。優選使用的有機溶劑為二甲基甲酰胺（DMF）。

步驟3）中使用的合成劑為液化二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），即碳化二亞胺改性的MDI、氨基甲酸酯改性的MDI或碳化二亞胺-尿酮亞胺改性的MDI等中的一種或多種。

前述制備方法中，步驟1）使用的酸性催化劑為硫酸、鹽酸或磷酸，加入量為多元醇重量的3%-10%。優選使用濃度為72%的硫酸作為催化劑。

前述制備方法中，步驟3）中在向木材液化物中加入合成劑后，從室溫經過30-60min均勻加熱到100℃-120℃。

前述制備方法中，步驟5）中碳化升溫速率為2℃-4℃/min。

前述制備方法中，步驟5）中通入水蒸氣的流量為1.5-2.5mL/min/g，通入水蒸氣的時間為60min。

前述制備方法中，步驟5）中停止通入水蒸氣后，待活化裝置溫度降至400℃，停止通入氮氣，最終使活化裝置降至室溫。

前述制備方法中，步驟1）是將木材粉碎后過20-80目得到木粉，在液化反應前還包括對木粉進行干燥處理的步驟。

本發明進一步提供按照上述方法制備的木質活性碳纖維，其性能指標如下：

活化得率：13.74-55.34%

比表面積：916.41-2148.28m²/g

微孔比表面積：672.45-1847.36m²/g

總孔容：0.457-1.568cm³/g

微孔孔容：0.214-1.365cm³/g

平均孔徑：1.88-2.36nm

本發明進一步提供由所述木材液化物紡絲液紡制成的碳纖維及活性碳纖維原絲。

本發明的優點在于：

(一)本發明以多元醇為液化劑，與現有的木材苯酚液化工藝相比，最大的特點在于環保、無污染。

（二）本發明液化效率高，較高木液比(木質材料與液化劑比例)，可實現木質生物質資源的充分利用。

（三）本發明液化溫度低，液化時間短，液化徹底，可節約能耗，提高木質原材料利用率。