[發明專利]一種高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201410256291.0
• 申請日: 2014-06-10
• 公開（公告）號: CN104018249A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 趙陽;肖紅梅;渠成兵;付紹云
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 王宇楊;王敬波

技術領域

本發明涉及多孔納米纖維材料技術領域，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

活性炭纖維是繼粉末活性炭和顆粒活性炭之后發展起來的第三代活性炭材料，與前兩者相比具有更強的吸附能力和吸附速度、優異的加工性能，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、醫療、環保、紡織、核能等行業取得了廣泛的應用。目前制備活性炭纖維的前驅體主要有粘膠纖維、酚醛基纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青基纖維、聚乙烯醇基纖維、苯乙烯/烯烴共聚纖維和木質基纖維等，工業上使用的主要是前四種。

聚丙烯腈(PAN)纖維最顯著的優點是結構中含有氮元素，因而其對硫系及氮系化合物有著較高的吸附性能，這是其它幾種前驅體活性炭纖維所無法比擬的。商業化的聚丙烯腈活性炭纖維主要是將聚丙烯腈原料經由溶液紡絲制備制備成聚丙烯腈纖維，再將聚丙烯纖維經預氧化、碳化、活化制備得到的，受工藝條件限制商業化的聚丙烯腈纖維直徑一般為十幾個微米。目前針對PAN基活性炭纖維的研究也主要集中在以商業化聚丙烯腈纖維為原料的后續加工工藝研究(包括預氧化、碳化溫度、碳化時間、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納米級(幾十個納米至幾個微米)，可以滿足對纖維直徑有更高要求的領域。經檢索利用靜電紡絲將聚丙烯腈和活化劑共混紡絲、碳化活化同時進行制備活性炭纖維的研究還沒有公開報道。

目前活性炭纖維的生產過程可以概括為：將各種有機原料進行紡絲制備成纖維前驅體，對各種前驅體纖維進行預氧化處理，之后再高溫碳化，最后經活化處理形成活性炭纖維。原料自身，制備工藝的預處理溫度、碳化溫度、碳化時間、活化劑濃度、活化溫度、活化時間對最終的活性炭纖維制品的比表面積以及孔隙結構都有很大的影響。CN102505403A《一種具有分層次孔結構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溶劑中利用靜電紡絲的方法制備了聚丙烯腈膜，之后經預氧化、碳化、二氧化碳活化處理制備得到了分層次孔結構活性炭纖維，該發明在活性炭纖維前驅纖維的制備過程中使用了靜電紡絲技術，不過后續的碳化、活化過程仍是傳統的制備工藝，碳化、活化步驟時間過長，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/聚丙烯腈復合纖維，不過后續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、之后碳化活化同時進行制備活性炭纖維的研究還沒有公開報道。

發明內容

本發明目的在于：利用靜電紡絲技術，提供一種高比表面積微孔活性炭納米纖維的制備方法。

本發明的技術方案如下：

本發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：

1)將聚丙烯腈原料和活化劑加入到強極性溶劑中，經充分攪拌混合均勻得靜電紡絲原液；

所述聚丙烯腈原料、活化劑與強極性溶劑的重量份配比為1：0.1-2：6-12；

所述強極性溶劑為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備上紡絲得到納米纖維絲；

3)將納米纖維在200-250℃空氣氛圍中進行預氧化處理1-2小時；

4)將經預氧化的納米纖維絲在保護性氣體保護下進行高溫活化處理，所述高溫活化處理溫度為500-800℃；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。

所述的保護性氣體為氮氣、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間為0.25-3小時

本發明的創新性在于：將聚丙烯腈原料和活化劑加入到強極性溶劑中進行共混為靜電紡絲制備有機纖維前驅體，之后經靜電紡絲、預氧化、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、吸附選擇性高的優點；且本發明方法工藝簡單，微孔豐富，節能環保；比表面積已完全達到商業活性炭纖維的比表面積范圍。

附圖說明

圖1為本發明方法制備的高比表面積微孔活性炭納米纖維的SEM照片。

具體實施方式

實施例1