一种高性能活性碳纤维的制备方法与流程

本发明涉及一种高性能活性碳纤维的制备方法，属于碳纤维技术领域。

背景技术：

活性碳纤维(简称ACFs)，是在上世纪70年代开发并逐渐工业化的新型高效吸附材料。与传统的粒状或粉末状活性炭相比，ACFs具有独特的性质：比表面积大、含碳量高、微孔分布窄、吸附容量大、吸脱附速度快、再生容易；易于加工，可制成纤维、纸、毡、布等形状；具有强度高、不粉化，在振动条件下不会产生松动或过分密实的特点。所以，ACFs一问世就引起国内外科学家和企业家的极大兴趣。

然而，目前ACFs制品通常是以单一化学试剂为活化剂，通过采用间歇式活化方法制备的，虽然最终得到的ACFs具有较高的比表面积，但是采用该方法制备的ACFs样品力学性能相对较低，不能用于形成各种形状的制品，从而限制了它的应用领域。为此，通过寻找一种新的活化方法，来确保样品在具有一定比表面积的同时，又能赋予ACFs样品一定的力学强度具有重要的意义。本发明利用现有活化设备，以为变量，通过采用适宜的活化方法制备出比表面积为1500～2550m².g^-1、拉伸强度为0.5～0.9GPa的高性能活性碳纤维。

技术实现要素：

本发明的目的：旨在借助现有活化设备，以为变量，通过采用适宜的活化方法制备出比表面积高和力学性能优良的ACFs制品，最终解决现有吸附材料制备中存在的制备效率低、样品力学强度低和生产成本高等方面的问题。

本发明的另一目的在于提供一种高性能活性碳纤维的用途。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种高性能活性碳纤维的制备方法，其特征在于，采用单一物理活化法或物理-化学协同活化法。

单一物理活化法制备高性能活性碳纤维的方法，将预氧化碳纤维采用连续式活化设备进行活化，将水蒸气和惰性气体通入设备，活化温度为700～900℃，优选800～875℃；活化时间为10～40min，优选20～30min，表述为V_水蒸气：(V_水蒸气+V_惰性气体)，通过调节气体流量计来控制，值为0.4×10^-4～4.5×10^-4；每6.5L容积的设备对应的V_水蒸气的流速为1.04×10^-4L.min^-1。

物理-化学协同活化法制备高性能活性碳纤维的方法，将预氧化碳纤维浸渍到活化剂溶液中，而后利用连续式活化设备对浸渍有活化剂的纤维进行活化，将水蒸气和惰性气体通入设备，活化温度为700～900℃，优选800～875℃；活化时间为10～40min，优选20～30min，表述为V_水蒸气：(V_水蒸气+V_惰性气体)，通过调节气体流量计来控制，值为0.4×10^-4～4.5×10^-4；每6.5L容积的设备对应的V_水蒸气的流速为1.04×10^-4L.min^-1，以借助活化剂+水蒸气协同活化法来达到促进纤维进行活化的目的。结束后，先将所得到的样品用蒸馏水反复洗涤，然后将其进行蒸馏水煮沸，最后再用蒸馏水进行反复洗涤，直至清洗后的溶液呈现中性。

预氧化碳纤维的制备：将纤维原材料进行预氧化，预氧化温区为(180～277℃)，预氧化气氛为空气气氛，纤维在预氧化炉中所停留的总时间为50-80min。

上述纤维原材料选自聚丙烯腈基、沥青基、黏胶基和酚醛基纤维，以及由它们所形成的毡、布、带等各种形式的制品。其中，聚丙烯腈基纤维可为湿纺法、干纺法或干喷湿纺法纺制，纤维丝束可为1～320K；

聚丙烯腈基纤维中质量分数在10％以下的一种或多种单体的共聚物为：衣康酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸、烯丙基氯、α-氯丙烯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、羟烷基丙烯腈、羟烷基丙烯酸及其酯类、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、二丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯基丙酮等。尤其是丙烯腈共聚合时加入了上述不同的共聚单体，只要聚丙烯腈原丝中丙烯腈单体的质量分数高于90％，本发明即可适用。

在现有活化设备上，以为变量，通过采用适宜的活化方法制备出比表面积高、拉伸强度优良的高性能活性碳纤维。其中，可表述为V_水蒸气：(V_水蒸气+V_惰性气体)，通过调节气体流量计来控制，值为0.4×10^-4～4.5×10^-4。

所述的活化设备涵盖间歇式活化设备和连续式活化设备。

所述的变量需借助气体流量计来调控。

活化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、氯化锌、K₃PO₄，活化剂质量百分比浓度为9-20％。

所述的活化方法涵盖单一物理活化法和为物理-化学协同活化法。

采用本发明所制备的活性碳纤维比表面积为1500～2550m².g^-1、拉伸强度为0.5～0.9GPa。

本发明的原理为：采用单一物理活化法和物理-化学协同活化法制备高性能活性炭纤维的过程中，体系中气体流量的改变会通过影响体系中来影响最终制品的相关性能。

本发明的有益效果是：以水蒸气体积分数为变量来调控样品吸附性能和力学性能的过程中，当值在0.4×10^-4～4.5×10^-4范围内时，制品的比表面积为1500～2550m².g^-1、拉伸强度为0.5～0.9GPa。所得碳纤维可用于气体净化、污水处理等领域同时，本发明所采用的方法简单、制备效率高、成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的ACFs制品的比表面积随水蒸气体积分数变化的曲线；

图2为本发明实施例1制备的ACFs制品的单丝拉伸强度随水蒸气体积分数变化的曲线。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1：本实施方式所述的一种高性能活性碳纤维的制备方法，具体是按以下步骤进行的：

一、将12K PAN原丝在六温区连续式预氧化炉中进行预氧化过程(预氧化温区为180～277℃)，预氧化气氛为空气气氛，纤维在预氧化炉中所停留的总时间为70min。

二、以上述条件下得到的预氧化纤维为前驱体，先将前驱体纤维浸渍到盛有质量分数为9％KOH溶液中，而后利用连续式活化设备(容积为6.5L)对浸渍有活化剂的纤维进行活化(活化温度和活化时间分别为850℃、20min)。与此同时，利用氮气将水蒸气以1.04×10^-4L.min^-1的流速由外界输送至活化炉中，以借助KOH+水蒸气协同活化法来达到促进纤维进行活化的目的。

三、通过调控氮气的流量将依次调节为0.4×10^-4、1.5×10^-4、2.5×10^-4、3.5×10^-4和4.5×10^-4以制备不同性能的样品，实验结束后，先将所得到的样品用蒸馏水反复洗涤，然后将其放入到烧杯中进行煮沸，最后再用蒸馏水进行反复洗涤，直至清洗后的溶液呈现中性。

四、将所得到的ACFs制品分别进行相关吸附性能和力学强度方面的表征。

实施例2：本实施方式与实施例1不同的是：步骤一中采用24K PAN原丝为原料，其他与实施例1相同。ACFs制品的比表面积为1450～2270m².g^-1、拉伸强度为0.7～1.0GPa。

实施例3：本实施方式与具体实施例1不同的是：步骤一中采用预氧化设备为四温区连续式预氧化炉，纤维在每个温区中所停留的时间为20min，其他与实施例1相同。ACFs制品的比表面积分别为1390m².g^-1、1562m².g^-1、1731m².g^-1、1947m².g^-1和2160m².g^-1，对应的单丝拉伸强度为1.03GPa、0.89GPa、0.76GPa、0.69GPa和0.74GPa。

实施例4：本实施方式与实施例1不同的是：将步骤三中依次调节为0.27×10^-4、1.0×10^-4、1.67×10^-4、2.33×10^-4和3.0×10^-4，其他与实施例1相同。ACFs制品的比表面积为1153～2071m².g^-1、拉伸强度为0.8～1.1GPa。

实施例5：本实施方式与实施例1至4不同的是：步骤二中样品的活化时间为10min，其他与实施例1相同。ACFs制品的比表面积为1021～1830m².g^-1、拉伸强度为0.7～1.2GPa。

实施例6：本实施方式与实施例1至5不同的是：步骤二中采用K₃PO₄+水蒸气协同活化法，K₃PO₄质量分数为15％、依次调节为0.67×10^-4、2.5×10^-4、4.17×10^-4、5.83×10^-4和7.5×10^-4，其他与实施例1相同。ACFs制品的比表面积为分别为702m².g^-1、820m².g^-1、897m².g^-1、961m².g^-1和1040m².g^-1，对应的单丝拉伸强度为1.24GPa、1.07GPa、0.93GPa、0.89GPa和0.81GPa。

实施例7：本实施方式与实施例不同的是：步骤二中K₃PO₄质量分数为9％，其他与实施例1。ACFs制品的比表面积为670～980m².g^-1、拉伸强度为0.8～1.3GPa。

实施例8：本实施方式与实施例1不同的是：步骤二中K₃PO₄质量分数为9％，活化温度为900℃，其他与实施例1相同。ACFs制品的比表面积为755～1050m².g^-1、拉伸强度为0.7～1.2GPa。

实施例9：本具体实施方式与具体实施例1不同的是：步骤二中采用单一水蒸气活化法，依次调节为5.3×10^-4、20×10^-4、33.3×10^-4、46.7×10^-4和60×10^-4，其他与具体实施例1相同。ACFs制品的比表面积分别为450m².g^-1、572m².g^-1、702m².g^-1、804m².g^-1和820m².g^-1，对应的单丝拉伸强度为1.30GPa、1.22GPa、1.01GPa、0.86GPa和0.71GPa。

实施例10：本具体实施方式与具体实施例1不同的是：步骤二中采用单一水蒸气活化法，依次调节为8×10^-4、30×10^-4、50×10^-4、70×10^-4和90×10^-4，活化温度为900℃，其他与具体实施例1相同。ACFs制品的比表面积为570～910m².g^-1、拉伸强度为0.6～1.1GPa。

实施例11：本具体实施方式与具体实施例1不同的是：步骤三中所用到的惰性气体为氩气，其他与具体实施例1。ACFs制品的比表面积为1530～2560m².g^-1、拉伸强度为0.6～0.8GPa。