本發(fā)明涉及一種高性能活性碳纖維的制備方法，屬于碳纖維技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

活性碳纖維(簡(jiǎn)稱ACFs)，是在上世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)并逐漸工業(yè)化的新型高效吸附材料。與傳統(tǒng)的粒狀或粉末狀活性炭相比，ACFs具有獨(dú)特的性質(zhì)：比表面積大、含碳量高、微孔分布窄、吸附容量大、吸脫附速度快、再生容易；易于加工，可制成纖維、紙、氈、布等形狀；具有強(qiáng)度高、不粉化，在振動(dòng)條件下不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)或過(guò)分密實(shí)的特點(diǎn)。所以，ACFs一問(wèn)世就引起國(guó)內(nèi)外科學(xué)家和企業(yè)家的極大興趣。

然而，目前ACFs制品通常是以單一化學(xué)試劑為活化劑，通過(guò)采用間歇式活化方法制備的，雖然最終得到的ACFs具有較高的比表面積，但是采用該方法制備的ACFs樣品力學(xué)性能相對(duì)較低，不能用于形成各種形狀的制品，從而限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。為此，通過(guò)尋找一種新的活化方法，來(lái)確保樣品在具有一定比表面積的同時(shí)，又能賦予ACFs樣品一定的力學(xué)強(qiáng)度具有重要的意義。本發(fā)明利用現(xiàn)有活化設(shè)備，以為變量，通過(guò)采用適宜的活化方法制備出比表面積為1500～2550m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.5～0.9GPa的高性能活性碳纖維。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：旨在借助現(xiàn)有活化設(shè)備，以為變量，通過(guò)采用適宜的活化方法制備出比表面積高和力學(xué)性能優(yōu)良的ACFs制品，最終解決現(xiàn)有吸附材料制備中存在的制備效率低、樣品力學(xué)強(qiáng)度低和生產(chǎn)成本高等方面的問(wèn)題。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種高性能活性碳纖維的用途。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)的：

一種高性能活性碳纖維的制備方法，其特征在于，采用單一物理活化法或物理-化學(xué)協(xié)同活化法。

單一物理活化法制備高性能活性碳纖維的方法，將預(yù)氧化碳纖維采用連續(xù)式活化設(shè)備進(jìn)行活化，將水蒸氣和惰性氣體通入設(shè)備，活化溫度為700～900℃，優(yōu)選800～875℃；活化時(shí)間為10～40min，優(yōu)選20～30min，表述為V_水蒸氣：(V_水蒸氣+V_惰性氣體)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)來(lái)控制，值為0.4×10^-4～4.5×10^-4；每6.5L容積的設(shè)備對(duì)應(yīng)的V_水蒸氣的流速為1.04×10^-4L.min^-1。

物理-化學(xué)協(xié)同活化法制備高性能活性碳纖維的方法，將預(yù)氧化碳纖維浸漬到活化劑溶液中，而后利用連續(xù)式活化設(shè)備對(duì)浸漬有活化劑的纖維進(jìn)行活化，將水蒸氣和惰性氣體通入設(shè)備，活化溫度為700～900℃，優(yōu)選800～875℃；活化時(shí)間為10～40min，優(yōu)選20～30min，表述為V_水蒸氣：(V_水蒸氣+V_惰性氣體)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)來(lái)控制，值為0.4×10^-4～4.5×10^-4；每6.5L容積的設(shè)備對(duì)應(yīng)的V_水蒸氣的流速為1.04×10^-4L.min^-1，以借助活化劑+水蒸氣協(xié)同活化法來(lái)達(dá)到促進(jìn)纖維進(jìn)行活化的目的。結(jié)束后，先將所得到的樣品用蒸餾水反復(fù)洗滌，然后將其進(jìn)行蒸餾水煮沸，最后再用蒸餾水進(jìn)行反復(fù)洗滌，直至清洗后的溶液呈現(xiàn)中性。

預(yù)氧化碳纖維的制備：將纖維原材料進(jìn)行預(yù)氧化，預(yù)氧化溫區(qū)為(180～277℃)，預(yù)氧化氣氛為空氣氣氛，纖維在預(yù)氧化爐中所停留的總時(shí)間為50-80min。

上述纖維原材料選自聚丙烯腈基、瀝青基、黏膠基和酚醛基纖維，以及由它們所形成的氈、布、帶等各種形式的制品。其中，聚丙烯腈基纖維可為濕紡法、干紡法或干噴濕紡法紡制，纖維絲束可為1～320K；

聚丙烯腈基纖維中質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10％以下的一種或多種單體的共聚物為：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、羥烷基丙烯腈、羥烷基丙烯酸及其酯類、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時(shí)加入了上述不同的共聚單體，只要聚丙烯腈原絲中丙烯腈單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于90％，本發(fā)明即可適用。

在現(xiàn)有活化設(shè)備上，以為變量，通過(guò)采用適宜的活化方法制備出比表面積高、拉伸強(qiáng)度優(yōu)良的高性能活性碳纖維。其中，可表述為V_水蒸氣：(V_水蒸氣+V_惰性氣體)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)來(lái)控制，值為0.4×10^-4～4.5×10^-4。

所述的活化設(shè)備涵蓋間歇式活化設(shè)備和連續(xù)式活化設(shè)備。

所述的變量需借助氣體流量計(jì)來(lái)調(diào)控。

活化劑選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鋅、K₃PO₄，活化劑質(zhì)量百分比濃度為9-20％。

所述的活化方法涵蓋單一物理活化法和為物理-化學(xué)協(xié)同活化法。

采用本發(fā)明所制備的活性碳纖維比表面積為1500～2550m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.5～0.9GPa。

本發(fā)明的原理為：采用單一物理活化法和物理-化學(xué)協(xié)同活化法制備高性能活性炭纖維的過(guò)程中，體系中氣體流量的改變會(huì)通過(guò)影響體系中來(lái)影響最終制品的相關(guān)性能。

本發(fā)明的有益效果是：以水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為變量來(lái)調(diào)控樣品吸附性能和力學(xué)性能的過(guò)程中，當(dāng)值在0.4×10^-4～4.5×10^-4范圍內(nèi)時(shí)，制品的比表面積為1500～2550m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.5～0.9GPa。所得碳纖維可用于氣體凈化、污水處理等領(lǐng)域同時(shí)，本發(fā)明所采用的方法簡(jiǎn)單、制備效率高、成本較低。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的ACFs制品的比表面積隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)變化的曲線；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的ACFs制品的單絲拉伸強(qiáng)度隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)變化的曲線。

具體實(shí)施方式

以下進(jìn)一步描述本發(fā)明的具體技術(shù)方案，以便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步地理解本發(fā)明，而不構(gòu)成對(duì)其權(quán)利的限制。

實(shí)施例1：本實(shí)施方式所述的一種高性能活性碳纖維的制備方法，具體是按以下步驟進(jìn)行的：

一、將12K PAN原絲在六溫區(qū)連續(xù)式預(yù)氧化爐中進(jìn)行預(yù)氧化過(guò)程(預(yù)氧化溫區(qū)為180～277℃)，預(yù)氧化氣氛為空氣氣氛，纖維在預(yù)氧化爐中所停留的總時(shí)間為70min。

二、以上述條件下得到的預(yù)氧化纖維為前驅(qū)體，先將前驅(qū)體纖維浸漬到盛有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9％KOH溶液中，而后利用連續(xù)式活化設(shè)備(容積為6.5L)對(duì)浸漬有活化劑的纖維進(jìn)行活化(活化溫度和活化時(shí)間分別為850℃、20min)。與此同時(shí)，利用氮?dú)鈱⑺魵庖?.04×10^-4L.min^-1的流速由外界輸送至活化爐中，以借助KOH+水蒸氣協(xié)同活化法來(lái)達(dá)到促進(jìn)纖維進(jìn)行活化的目的。

三、通過(guò)調(diào)控氮?dú)獾牧髁繉⒁来握{(diào)節(jié)為0.4×10^-4、1.5×10^-4、2.5×10^-4、3.5×10^-4和4.5×10^-4以制備不同性能的樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先將所得到的樣品用蒸餾水反復(fù)洗滌，然后將其放入到燒杯中進(jìn)行煮沸，最后再用蒸餾水進(jìn)行反復(fù)洗滌，直至清洗后的溶液呈現(xiàn)中性。

四、將所得到的ACFs制品分別進(jìn)行相關(guān)吸附性能和力學(xué)強(qiáng)度方面的表征。

實(shí)施例2：本實(shí)施方式與實(shí)施例1不同的是：步驟一中采用24K PAN原絲為原料，其他與實(shí)施例1相同。ACFs制品的比表面積為1450～2270m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.7～1.0GPa。

實(shí)施例3：本實(shí)施方式與具體實(shí)施例1不同的是：步驟一中采用預(yù)氧化設(shè)備為四溫區(qū)連續(xù)式預(yù)氧化爐，纖維在每個(gè)溫區(qū)中所停留的時(shí)間為20min，其他與實(shí)施例1相同。ACFs制品的比表面積分別為1390m².g^-1、1562m².g^-1、1731m².g^-1、1947m².g^-1和2160m².g^-1，對(duì)應(yīng)的單絲拉伸強(qiáng)度為1.03GPa、0.89GPa、0.76GPa、0.69GPa和0.74GPa。

實(shí)施例4：本實(shí)施方式與實(shí)施例1不同的是：將步驟三中依次調(diào)節(jié)為0.27×10^-4、1.0×10^-4、1.67×10^-4、2.33×10^-4和3.0×10^-4，其他與實(shí)施例1相同。ACFs制品的比表面積為1153～2071m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.8～1.1GPa。

實(shí)施例5：本實(shí)施方式與實(shí)施例1至4不同的是：步驟二中樣品的活化時(shí)間為10min，其他與實(shí)施例1相同。ACFs制品的比表面積為1021～1830m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.7～1.2GPa。

實(shí)施例6：本實(shí)施方式與實(shí)施例1至5不同的是：步驟二中采用K₃PO₄+水蒸氣協(xié)同活化法，K₃PO₄質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％、依次調(diào)節(jié)為0.67×10^-4、2.5×10^-4、4.17×10^-4、5.83×10^-4和7.5×10^-4，其他與實(shí)施例1相同。ACFs制品的比表面積為分別為702m².g^-1、820m².g^-1、897m².g^-1、961m².g^-1和1040m².g^-1，對(duì)應(yīng)的單絲拉伸強(qiáng)度為1.24GPa、1.07GPa、0.93GPa、0.89GPa和0.81GPa。

實(shí)施例7：本實(shí)施方式與實(shí)施例不同的是：步驟二中K₃PO₄質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9％，其他與實(shí)施例1。ACFs制品的比表面積為670～980m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.8～1.3GPa。

實(shí)施例8：本實(shí)施方式與實(shí)施例1不同的是：步驟二中K₃PO₄質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9％，活化溫度為900℃，其他與實(shí)施例1相同。ACFs制品的比表面積為755～1050m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.7～1.2GPa。

實(shí)施例9：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施例1不同的是：步驟二中采用單一水蒸氣活化法，依次調(diào)節(jié)為5.3×10^-4、20×10^-4、33.3×10^-4、46.7×10^-4和60×10^-4，其他與具體實(shí)施例1相同。ACFs制品的比表面積分別為450m².g^-1、572m².g^-1、702m².g^-1、804m².g^-1和820m².g^-1，對(duì)應(yīng)的單絲拉伸強(qiáng)度為1.30GPa、1.22GPa、1.01GPa、0.86GPa和0.71GPa。

實(shí)施例10：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施例1不同的是：步驟二中采用單一水蒸氣活化法，依次調(diào)節(jié)為8×10^-4、30×10^-4、50×10^-4、70×10^-4和90×10^-4，活化溫度為900℃，其他與具體實(shí)施例1相同。ACFs制品的比表面積為570～910m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.6～1.1GPa。

實(shí)施例11：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施例1不同的是：步驟三中所用到的惰性氣體為氬氣，其他與具體實(shí)施例1。ACFs制品的比表面積為1530～2560m².g^-1、拉伸強(qiáng)度為0.6～0.8GPa。