聚丙烯腈基中孔活性碳纤维的制备及其性能表征

摘要

活性碳纤维(ACF)的孔隙直接开口于表面，并且孔径分布均匀，比表面积大，具有耐热、耐酸和耐碱的性能，以及较好的导电性和化学稳定性。由于活性碳纤维的外表面积较大，所以吸附容量高。正是因为它独特的化学性质、物理性质和优异的吸附性能使ACF得到了广泛的应用。目前ACF大多为微孔型，孔径分布在1～2nm，特别适用于低分子量物质的吸附，限制了其在医药、电子、催化等方面的应用。因此，有必要对中孔活性碳纤维的制备进行研究。
　　 本课题选用在纺丝液中加入造孔剂的方法来制备中孔活性碳纤维。具体方法是:在聚丙烯腈浆料中加入分解温度比聚丙烯腈(PAN)低的高分子聚合物，然后运用湿法纺丝制得原纤维，原纤维经过预氧化、碳化、活化后其中作为造孔剂的高分子聚合物分解逸出从而形成孔洞。
　　 本文首先研究了造孔剂的选择和造孔剂与聚丙烯腈的相容性。结果表明，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(K30)和乙酰丙酮镍在溶剂二甲基亚砜(DMSO)中的溶解性能较好，它们与PAN都有较好的相容性且分解温度比PAN低，在碳化、活化时易分解，是造孔剂的最佳选择。
　　 本文又研究了造孔剂的质量分数以及造孔剂与聚丙烯腈浆料的质量比对纺丝液的流变性能及纺丝性能的影响。实验表明，当造孔剂的质量分数为5％，温度为60℃时，是纺丝的最佳条件。纺丝液属于切力变稀的非牛顿流体，其表观黏度随温度的升高而降低，当纺丝液受到剪切作用时，其复数黏度随着剪切速率的变化存在一个临界值，在临界值之前，纺丝原液的复数黏度随剪切速率的增加迅速下降;在临界值之后，复数黏度随着剪切速率的增加趋于平缓，在高剪切速率时，黏度几乎不变。
　　 本文运用湿法纺丝制备出原纤维，并对原纤维的性能进行了表征。结果表明，加入造孔剂后原纤维的伸长率和强度都减小，但增加拉伸倍数有利于原纤维强度的提高。扫描电镜结果显示，加入聚甲基丙烯酸甲酯的原纤维表面粗糙不均且存在小孔，加入聚乙烯基吡咯烷酮的原纤维其表面比较均匀，同时加入聚乙烯基吡咯烷酮和乙酰丙酮镍的原纤维表观形貌较好。
　　 最后，选择合适的碳化、活化温度制备出活性碳纤维，并对其性能进行了表征。对原纤维的热失重分析确定800℃是碳化、活化的最佳条件。活性碳纤维的红外和TG-DTA分析表明，原纤维中的造孔剂已大部分或全部分解，而且加入造孔剂后ACF的静态苯吸附值明显增大，加入K30的ACF苯吸附量比加入PMMA的要大很多，说明K30比PMMA分解的完全，而同时加入乙酰丙酮镍和K30的ACF静态苯吸附值比只加K30的大，说明乙酰丙酮镍的加入对控制孔径起到了一定的作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 活性碳纤维概述

1．3 中孔活性碳纤维的研究现状

1．4 中孔活性碳纤维的制备

1．5 孔结构的表征方法

1．6 中孔活性碳纤维的应用及其发展前景

1．7 本课题研究目的，研究内容及创新点

第二章 造孔剂的选择及用量的初步探索

2．1 前言

2．2 实验部分

2．3 结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 纺丝液流变性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 湿法纺丝制备原纤维

4．1 前言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 原纤维的预氧化、碳化、活化

5．1 前言

5．2 实验部分

5．3 结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

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