三维空间网状结构的活性炭纤维骨架及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架及其制备方法，属于活性炭材料技术领域。
【背景技术】
[0002]活性炭是一种多孔性物质，比表面积大，吸附能力强，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂，是一种环境友好型吸附材料和催化剂载体，广泛用于化工、环保、食品加工、冶金、军事化学防护等领域。活性炭产品形态主要有粉状、颗粒状和柱状，一般为一维或二维结构，三维结构加工难度大，加工成本高，难以满足市场应用的需要。
[0003]三维结构的活性炭包括活性炭纤维毡和活性炭编制体，CN102641522A公开了 “三维梯度网状碳纤维/HA/麦饭石医用复合材料的制备方法”，该发明专利把碳纤维编织成三维梯度网状碳纤维骨架。炭纤维编织体生产效率低，纤维之间的连接点不是固定连接，整体性差。
[0004]活性炭纤维制品加工路线主要包括:利用人造纤维，经炭化与活化后，制成活性炭纤维毡、布等不同结构、形状和尺寸，这类制品生产成本高，难以制成机械强度高、大尺寸复杂结构的制品；其次是将活性炭粉负载在纤维介质上，制成不同结构、形状和尺寸的活性炭纤维制品，这类制品存在微孔堵塞的问题，整体性差，存在脱炭和不能清洗等问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种成本低、整体性好的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架及其制备方法，克服现有一维、二维和三维结构的活性炭纤维制品存在的上述技术不足。
[0006]本发明的技术方案是:一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，该骨架包括负载或不负载触媒的以木质纤维为碳源的木质活性炭纤维和负载或不负载触媒的以聚合物粘结剂为碳源的聚合物粘结剂活性炭，聚合物粘结剂活性炭附着在木质活性炭纤维表面，活性炭纤维之间的连接部是由所述聚合物粘结剂活性碳固定连接的，活性炭纤维呈三维多向分布，相互交织、交叉连接成为一个整体。
[0007]前述的活性炭纤维包括以下一种或两种连接方式:
(1)木质活性炭纤维以搭接的方式连接，木质活性炭纤维连接部相互接触；
(2)木质活性炭纤维以搭桥的方式连接，木质活性炭纤维呈空间相交，互不接触。
[0008]本发明的一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架制备方法，包括以下步骤:
(1)三维空间网状结构的非织物预制体制作
采用负载或不负载活化剂、活化催化剂的聚合物粘结剂，将负载或不负载活化剂、活化催化剂的木质纤维进行粘结，得到由聚合物粘结剂粘结成一体的三维空间网状结构的非织物预制体，所述木质纤维呈三维多向分布，相互交织、交叉连接；
(2)碳化和活化处理将所述非织物预制体进行碳化和活化处理，得到负载或不负载触媒的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架。
[0009]前述的木质纤维包括棕榈类纤维或麻类纤维中的一种以及两种以上的纤维混合物。
[0010]前述的木质活性炭纤维长径比为10?500。
[0011]前述的聚合物粘结剂包括天然植物淀粉或树脂或橡胶或塑料或沥青或煤焦油。
[0012]与现有技术比较
本发明提供的一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，与现有技术相比，具有三维空间网状结构，整体性好、空隙率大、流体透过性好、不易堵塞、不结团、能清洗、不落炭、易做成复杂结构大尺寸制品，主要用于空气净化、污水处理、水生态修复和催化载体等领域。
[0013]本发明提供的一种三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法，与现有人造纤维活性炭相比，原料来源广，属于可再生资源，不用人工纺丝，工艺控制简单，生产成本低，与在纤维介质上负载活性炭粉制品相比，不用载体，制品活性炭含量高。
【具体实施方式】
[0014]下面通过具体的实施例子对本发明做进一步的详细描述。
[0015]本发明提供了一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，该骨架以木质纤维和聚合物粘结剂为碳源，包括由负载或不负载活化剂、触媒的木质活性炭纤维与负载或不负载活化剂、催化剂的聚合物粘结剂活性炭固定连接成一体的负载或不负载催化剂的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架。
[0016]本发明的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，是指含碳量大于50%、BET比表面积大于120m2/g、体积密度为0.lg/cm3?0.5g/cm 3的活性炭纤维骨架。
[0017]本发明的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，前述的木质活性炭纤维与聚合物粘结剂活性炭的质量分数比为1: (3?0.1)。
[0018]本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架，前述的木质纤维碳源包括山棕丝、油棕丝、椰棕丝、剑麻丝、黄麻丝、木材纤维丝、竹材纤维丝的中的一种及两种以上的混合物。
[0019]本发明的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，前述的山棕丝、油棕丝、椰棕丝、剑麻丝和黄麻丝，分别是从山棕叶、油棕果、椰果、剑麻叶和黄麻韧皮中分离出来的木质纤维束。
[0020]本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架，前述的聚合物粘结剂碳源包括天然植物淀粉、树脂、橡胶、塑料、沥青和煤焦油。
[0021]一般地，聚合物粘结剂为液态，本发明的选用的聚合物粘结剂还包括在高温下能够融化成液体的固体粘结剂，例如，沥青颗粒、发泡塑料颗粒和聚合物纺丝纤维等。
[0022]一般地，采用液态聚合物粘结剂，本发明的活性炭纤维骨架将以搭接的方式连接。
[0023]一般地，采用固体聚合物粘结剂，本发明的活性炭纤维骨架将以搭桥的方式连接。
[0024]本发明提供了一种三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法，包括以下步骤: 首先，采用负载或不负载活化剂、活化催化剂的聚合物粘结剂，将负载或不负载活化剂、活化催化剂的木质纤维进行粘结，得到由聚合物粘结剂粘结成一体的三维空间网状结构的非织物预制体，木质纤维呈三维多向分布，相互交织、交叉连接。
[0025]然后，将所述非织物预制体进行碳化和活化处理，得到负载或不负载触媒的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架。
[0026]本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法，前述三维空间网状非织物预制体中的纤维与纤维之间的粘接，主要是由空间相交的纤维在相交处聚集的粘接剂连接的。
[0027]本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法，在一些实施例中，包括木质纤维原料和聚合物粘结剂原料的预处理，其中，木质纤维预处理包括短截、除杂和活化剂的混合等。
[0028]在一些实施例中，本发明的木质纤维原料需要对含水率，使得纤维具有一定的卷曲度。
[0029]在一些实施例中，本发明的木质纤维原料需要进行梳理短截纤维长度，一般地，纤维长度为1mm?350mm，直径为0.1mm?0.6mm。原则上来说，木质纤维的长度越短、直径越小，空间网状活性炭纤维骨架的均一性和体积密度越高。
[0030]在一些实施例中，本发明的木质纤维原料需要进行除杂处理，降低原料中S1、Al、Ca、Mg等杂质，提尚活性炭的性能。
[0031 ] 在一些实施例中，本发明的活化剂的混合主要采取浸渍法，把ZnCl2等活化剂渗透到木质纤维的内部，一般地，浸渍时间为2?24小时，溶液温度20°C?80°C。
[0032]在一些实施例中，本发明的聚合物粘结剂需要对粘结剂的黏度、负载触媒等方面进行改性。
[0033]在一些实施例中，本发明的一种三维空间网状结构活性炭纤维非织物预制体需要进行定型或密度调控，优选地，先制成平板状，再在模压状态下热压定型并调节密度。
[0034]前述活化方法包括物理活化法、化学活化法和化学物理活化法。
[0035]在一些实施例中，活化剂包括KOH、ZnCl2, H3PO4, H2O和C02。
[0036]在一些实施例中，催化剂包括NH4H2P04、(NH4) 2S04。