[發(fā)明專利]以碳纖維和殼聚糖為原料制備吸附性能良好的吸附劑的方法

在審

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• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113058565A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 強小虎;歐陽成偉;郭鑫;黃大建
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州交通大學(xué)
• 主分類號: B01J20/24
• 分類號: B01J20/24;B01J20/30
• 代理公司: 北京盛凡佳華專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11947
• 代理人: 孫瑞峰

本發(fā)明公開了一種以碳纖維和殼聚糖為原料，制備出一種具有較好吸附性的復(fù)合材料的方法。首先用硝酸對清洗干凈的碳纖維進行表面活化處理，然后將活化處理后的樣品浸泡在殼聚糖溶液中并充分?jǐn)嚢瑁屘祭w維表面與殼聚糖充分接觸。最后用NaOH對該復(fù)合物進行固化，從而制備出一種碳纖維/殼聚糖復(fù)合材料。本發(fā)明將比強度高、耐高溫、耐腐蝕的碳纖維和來源廣、成本低、具有生物相容性和生物可降解性的殼聚糖通過上述工藝處理，得到了一種兼具這兩種物質(zhì)性能的吸附劑。可用于有色廢水、染料、重金屬的吸附富集或脫除，在環(huán)境修復(fù)、廢水處理等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用碳纖維和殼聚糖為原料制備出一種具有較好吸附性的復(fù)合材料的方法，屬于天然非金屬礦深加工和納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳纖維是由含碳量高、且在熱處理中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)過化學(xué)、物理處理后制備獲得。碳纖維及其復(fù)合材料具有耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、傳熱、抗疲勞、耐酸堿、比強度高和熱膨脹系數(shù)小等性能。它既可以用作結(jié)構(gòu)材料去承載負荷，也可以用作功能材料去發(fā)揮作用。同時碳纖維具有較大的表面積,可作為吸附材料,但由于其表面為低能界面,在實際應(yīng)用中還存在改進的必要。

碳纖維是纖維狀的炭材料，即其化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量的90％以上。根據(jù)碳原子結(jié)合方式的不同，碳元素可形成石墨、金剛石、卡賓等結(jié)晶態(tài)，也可形成非晶態(tài)的各種過渡態(tài)炭。由于碳元素的各種同素異形體的形態(tài)不同，其在空氣中加熱至350℃以上的高溫就會發(fā)生不同程度地氧化。在隔絕空氣的惰性氣體氛圍中(常壓條件下)，碳元素在高溫時不會熔融，但當(dāng)溫度上升到3800K的高溫時碳元素將發(fā)生升華。碳在各種溶劑中不溶解，因此，碳纖維不能像一般合成纖維那樣通過熔融紡絲或者使用溶劑進行干法或濕法紡絲來制取。與其它炭材料由有機物經(jīng)氣相、液相或固相等不同途徑制備而成一樣，碳纖維只能通過高分子有機纖維的固相炭化或者低分子烴類的氣相熱解生長來制取。

現(xiàn)代碳纖維工業(yè)化的路線是前驅(qū)纖維炭化工藝法，而所使用的3種原料纖維分別為聚丙烯腈纖維、瀝青纖維和粘膠纖維。采用這3種原料纖維制造碳纖維的流程為：穩(wěn)定化處理(在200～400℃空氣，或用耐燃試劑等化學(xué)處理)，炭化(400～1400℃，氮氣)和石墨化(1800℃以上，氬氣氣氛下)。為了提高碳纖維與復(fù)合材料基質(zhì)的粘接性能需進行表面處理、上漿、干燥等工序。而另一種制造炭纖維的方法是氣相生長法。即將甲烷與氫的混合氣體在催化劑的存在下，放置在1000℃高溫下反應(yīng)，可制得不連續(xù)的短切碳纖維，最大長度可達50cm。其結(jié)構(gòu)不同于聚丙烯腈基或瀝青基炭纖維，具有易石墨化、力學(xué)性能良好、導(dǎo)電性高和易形成層間化合物。

殼聚糖(又叫殼糖胺、幾丁聚糖、脫乙酰甲殼素等)英文叫Chitosan，簡稱CS，其顏色為淡黃色或白色，是一種片狀物質(zhì)。可通過使甲殼素發(fā)生脫乙酞基化反應(yīng)制備殼聚糖，殼聚糖的分子鏈中由于脫乙酞基化不徹底，其大多情況下含有2-乙酞氨基葡萄糖和2-氨基葡萄糖兩種結(jié)構(gòu)單元。這兩種物質(zhì)的比例會因脫乙酞化程度不同而發(fā)生改變，因此把檢測殼聚糖的脫乙酞度以及其平均分子量作為殼聚糖的性能檢測方法^[7]。殼聚糖在水、丙酮和乙醇中都不會發(fā)生溶解，但其在濃度較低的酸性溶液里會發(fā)生溶解。

殼聚糖算是一種比較特殊的膳食纖維，其帶著陽離子和正電荷，所以被稱作是一種可改善人類健康的電粉。殼聚糖具有許多良好的特性，比如說抗菌性能好、具有保濕性、具有生物可降解能力、無毒無害和良好的螯合能力。由于殼聚糖的制備原材料可再生和來源廣泛，其在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，如飼料、醫(yī)學(xué)用藥、食品領(lǐng)域等。

殼聚糖的分子結(jié)構(gòu)中具有許多的的氨基和羥基，而且在骨架鏈之間的氫鍵變成了二級結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)所具有的的特殊性和這種高分子化合物所具有的物理性能，殼聚糖能與許多離子或生物分子發(fā)生螯合和吸附。所以殼聚糖可用作一類新型的環(huán)保生物吸附劑，在凈化環(huán)境方面發(fā)揮出其良好的吸附能力。

發(fā)明內(nèi)容