一种碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维制备方法与流程

1.本发明涉及一种碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维制备方法，属于活性碳纤维材料领域。


背景技术：

2.活性碳纤维是一种线性具有多孔性的材料，其具有比表面积大、吸附路径短、吸附速率快、热稳定性好及化学稳定性好等优点，可广泛应用于水体净化、空气净化、催化剂载体、电极材料及过滤系统等方面。早在上世纪六十年代日本就开始活性炭纤维的研究，但目前为止，生产活性碳纤维的原材料主要还是化石材料，随着化石能源的日益减少，如果继续使用化石材料为原材料，会使活性碳纤维的生产成本越来越高且可持续性也受到挑战，在提倡可持续发展的今天，使用生物质材料生产活性碳纤维变得越来越有意义。
3.纤维素是世界上蕴藏量最丰富的天然高分子化合物，生产原料来源于木材、棉花、棉短绒、麦草、稻草、芦苇、麻、桑皮、楮皮和甘蔗渣等。我国由于森林资源不足，纤维素的原料有70％来源于非木材资源。我国针叶材、阔叶材的纤维素平均含量约43
‑
45％；草类茎秆的纤维素平均含量在40％左右。使用纤维素作为多孔活性碳纤维的原料，不仅实现了废物循环利用和活性碳纤维原料的可持续性，还节约了化石材料、减轻对环境的污染与破坏。


技术实现要素：

4.本发明通过利用纤维素作为多孔活性碳纤维的原料，解决了上述问题。
5.本发明提供了一种碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
6.纺丝液的制备：将助纺剂溶于有机溶剂中，再加入纤维素，溶解后得到纺丝液，所述助纺剂、有机溶剂与纤维素的重量比为0.2
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1：19
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19.8：46.7
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80；
7.高压静电纺丝：喷头与接收器的距离为10
‑
30cm，纺丝电压为10
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20kv，纺丝液的推进速率为0.3
‑
1.5ml/h，得到纤维原丝；
8.碳化：将纤维原丝在空气氛围下，以0.1
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5℃/min升温至250℃，保温1
‑
5h，再在惰性气体保护下，以0.1
‑
10℃/min升温至600℃，保温1
‑
10h，自然冷却至室温，得到碳纤维；
9.碱造孔：将碳纤维浸在20
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60g/l的碱溶液中，使碳纤维与碱的重量比为1：1
‑
6，干燥，以1
‑
10℃/min升温至600
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800℃，保温1
‑
5h，再以1
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5℃/min降温至300℃，然后自然冷却至室温，水洗至中性，干燥，得到碱造孔的纤维素基活性碳纤维。
10.本发明所述碱优选为氢氧化钠或氢氧化钾。
11.本发明所述纤维素为微晶纤维素、细菌纤维素、纳米纤维素。
12.本发明另一目的为提供一种上述方法制备的碱活化的纤维素基活性碳纤维。
13.本发明有益效果为：
14.①
本发明以天然可再生资源为原料，既降低了活性碳纤维的成本，又实现了废物利用，同时又减少了对石油基材料的使用；
15.②
本发明采用静电纺丝法，可得到直径纳米级的纤维，有利于增加纤维的比表面积；
16.③
本发明采用氢氧化钠、氢氧化钾等基础碱对碳纤维进行活化，药品来源普遍，成本小，适合工业化生产；
17.④
本发明制备的碱造孔的纤维素基活性碳纤维可以替代聚丙烯晴基碳纤维和活性炭在吸附上的应用。
附图说明
18.图1为实施例1制备的碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维的扫描电镜图；
19.图2为实施例1制备的碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维吸附亚甲基蓝的吸附量图。
具体实施方式
20.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
21.在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围；在本发明说明书和权利要求书中，除非文中另外明确指出，单数形式“一个”、“一”和“这个”包括复数形式。
22.当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
23.实施例1
24.一种碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
25.纤维素的制备：将玉米秸秆酶解残渣研磨，采用氢氧化钠法蒸煮，过滤，将滤液加入到其10倍体积的去离子水中，采用盐酸调节ph值至1，静置过夜，纤维素析出后，2000r/min离心30min，60℃干燥24h，得到纤维素；
26.纺丝液的制备：将聚氧化乙烯加入到n,n
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二甲基甲酰胺中，60℃搅拌溶解，再加入纤维素，30℃搅拌溶解，得到纺丝液，所述聚氧化乙烯、n,n
‑
二甲基甲酰胺与纤维素的重量比为1：19：80；
27.高压静电纺丝：将纺丝液加入到注射器中，注射器针头与滚筒的距离为20cm，注射器针头与正电压为14kv的正高压电源连接，滚筒与3kv的负高压电源连接，纺丝液的推进速率为1ml/h，滚筒的转速为500r/min，得到纤维原丝；
28.碳化：将纤维原丝在空气氛围下，以2.2℃/min升温至250℃，保温1h，再在高纯氮气保护下，以7℃/min升温至600℃，保温1h，自然冷却至室温，得到碳纤维；
29.碱造孔：将碳纤维浸在60g/l的氢氧化钾溶液中，使碳纤维与氢氧化钾的重量比为1：6，110℃干燥，以4℃/min升温至800℃，保温1h，再以5℃/min降温至300℃，然后自然冷却至室温，水洗至中性，干燥，得到碱造孔的纤维素基活性碳纤维。
30.实施例2
31.一种碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
32.纤维素的制备：将玉米秸秆研磨，采用硫酸盐法蒸煮，过滤，将滤液加入到其10倍体积的去离子水中，采用盐酸调节ph值至2，静置过夜，纤维素析出后，3000r/min离心40min，80℃干燥20h，得到纤维素；
33.纺丝液的制备：将聚乙烯腈加入到n,n
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二甲基甲酰胺中，60℃搅拌溶解，再加入纤维素，30℃搅拌溶解，得到纺丝液，所述聚乙烯腈、n,n
‑
二甲基甲酰胺与纤维素的重量比为0.6：19.4：60；
34.高压静电纺丝：将纺丝液加入到注射器中，注射器针头与滚筒的距离为10cm，注射器针头与正电压为12kv的正高压电源连接，滚筒与3kv的负高压电源连接，纺丝液的推进速率为1ml/h，滚筒的转速为500r/min，得到纤维原丝；
35.碳化：将纤维原丝在空气氛围下，以1.5℃/min升温至250℃，保温1h，再在高纯氮气保护下，以6℃/min升温至600℃，保温1h，自然冷却至室温，得到碳纤维；
36.碱造孔：将碳纤维浸在60g/l的氢氧化钾溶液中，使碳纤维与氢氧化钾的重量比为1：3，110℃干燥，以3℃/min升温至700℃，保温1h，再以4℃/min降温至300℃，然后自然冷却至室温，水洗至中性，干燥，得到碱造孔的纤维素基活性碳纤维。
37.实施例3
38.一种碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
39.纤维素的制备：将麦草研磨，采用碱乙醇法蒸煮，过滤，将滤液加入到其10倍体积的去离子水中，采用盐酸调节ph值至3，静置过夜，纤维素析出后，4500r/min离心10min，40℃干燥36h，得到纤维素；
40.纺丝液的制备：将聚氧化乙烯加入到n,n
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二甲基甲酰胺中，60℃搅拌溶解，再加入纤维素，30℃搅拌溶解，得到纺丝液，所述聚氧化乙烯、n,n
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二甲基甲酰胺与纤维素的重量比为0.2：19.8：46.7；
41.高压静电纺丝：将纺丝液加入到注射器中，注射器针头与滚筒的距离为25cm，注射器针头与正电压为13kv的正高压电源连接，滚筒与3kv的负高压电源连接，纺丝液的推进速率为1.5ml/h，滚筒的转速为500r/min，得到纤维原丝；
42.碳化：将纤维原丝在空气氛围下，以3.5℃/min升温至250℃，保温1h，再在高纯氮气保护下，以8℃/min升温至600℃，保温1h，自然冷却至室温，得到碳纤维；
43.碱造孔：将碳纤维浸在40g/l的氢氧化钾溶液中，使碳纤维与氢氧化钾的重量比为1：1，110℃干燥，以8℃/min升温至700℃，保温1h，再以2℃/min降温至300℃，然后自然冷却至室温，水洗至中性，干燥，得到碱造孔的纤维素基活性碳纤维。
44.以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案，并不能理解为对本发明的限制。此外，本文所列出的各种修改以及发明中方法的变化，在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述，但应当理解，本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上，各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。

技术特征：
1.一种碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：纺丝液的制备：将助纺剂溶于有机溶剂中，再加入纤维素，溶解后得到纺丝液，所述助纺剂、有机溶剂与纤维素的重量比为0.2
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1：19
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19.8：46.7
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80；高压静电纺丝：喷头与接收器的距离为10
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30cm，纺丝电压为10
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20kv，纺丝液的推进速率为0.3
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1.5ml/h，得到纤维原丝；碳化：将纺丝液进行高压静电纺丝，获得纤维原丝，将纤维原丝在空气氛围下，以0.1
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5℃/min升温至250℃，保温1
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5h，再在惰性气体保护下，以0.1
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10℃/min升温至600℃，保温1
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10h，自然冷却至室温，得到碳纤维；碱造孔：将碳纤维浸在20
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60g/l的碱溶液中，使碳纤维与碱的重量比为1：1
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6，干燥，以1
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10℃/min升温至600
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800℃，保温1
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5h，再以1
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5℃/min降温至300℃，然后自然冷却至室温，水洗至中性，干燥，得到多孔纤维素基碳纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述助纺剂为聚乙烯腈、聚氧化乙烯或聚乙烯醇。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为n,n
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二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮或四氢呋喃。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述纤维素为微晶纤维素、细菌纤维素、纳米纤维素。6.权利要求1、2、3、4、5或6所述方法制备的多孔纤维素基碳纤维。
技术总结
本发明涉及一种碱造孔的纤维素基多孔活性碳纤维及其制备方法，属于活性碳纤维材料领域。所述制备方法包括如下步骤：纤维素纺丝液的制备步骤、高压静电纺丝步骤、碳化步骤和碱造孔步骤。本发明制备的碱造孔的纤维素基活性碳纤维可以替代聚丙烯晴基碳纤维和活性炭在吸附上的应用。吸附上的应用。


技术研发人员：翁千越
受保护的技术使用者：上海赛普瑞特生物科技有限公司
技术研发日：2021.03.24
技术公布日：2021/6/29