一种强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维的制备方法

摘要

本发明提供了一种强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维的制备方法，其步骤为将碳纤维浸渍在钠盐和酸的混合水溶液中12～24小时，取出后100℃烘干，随后放入活化炉中，再在惰性气体保护条件下加热至800～1100℃，同时通入水蒸气对纤维进行活化处理0.5～1小时。所获得的活性碳纤维强度达到0.3～0.5GPa，能提高活性碳纤维的使用寿命；所获得的活性碳纤维表面大孔孔径在50～600nm，有利于吸附大尺寸物质。本发明直接利用碳纤维为原料，活化工艺简单，产品强度较高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维的制备方法。

背景技术

活性炭纤维(Activated Carbon Fiber，以下简称为ACF)表面不同的孔径能赋予活性碳纤维不同的吸附性能。目前研制和生产的ACF大部分是孔径在2nm以下的微孔型ACF，仅适于气体和小分子量液体分子的吸附。对于尺寸在几十～几百nm的大尺寸物质的吸附需要ACF表面具有孔径大于50nm的大孔。

目前在大孔的制备方面已经有所突破，基本上是在原材料中添加扩孔催化剂达到获得大孔的目的。但ACF仍然存在强度偏低的问题，特别是大孔的产生更容易造成强度的损失。目前纤维状的ACF强度基本不超过0.2GPa，而具有大孔的ACF强度指标更低，基本达不到0.1GPa。过低的强度也严重影响了ACF的使用范围和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种活性碳纤维的制备方法，使得通过该方法制备得到的活性碳纤维不仅有孔径大于50nm的大孔，而且强度较高。

为了达到上述目的，本发明提供了一种强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维的制备方法，其步骤为：

步骤1、将钠盐水溶液和酸水溶液按体积比为1∶1混合，随后将碳纤维浸渍其中12～24小时，取出后烘干；所述钠盐水溶液的浓度为0.5mol/L～饱和浓度，所述酸水溶液的浓度为5wt％～20wt％；

步骤2、放入活化炉中，在惰性气体保护下加热至800～1100℃，恒温0.5～1小时，对纤维进行活化处理，冷却至室温之后得到强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维，其中，加热至600℃后通入水蒸汽，并且在冷却过程中，当温度降低至200℃后，关闭惰性气体和水蒸汽。

进一步，步骤1中所述钠盐为磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钠、硝酸钠、和硫酸钠中的至少一种。所述酸为硝酸、磷酸、盐酸、和硫酸中的至少一种。

步骤1所述碳纤维为粘胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、和沥青基碳纤维中的一种。

步骤1所述烘干的温度为100℃。

步骤2所述加热的速率为5～20℃/min。

步骤2所述惰性气体为氮气、氦气、和氩气中的至少一种。

本发明提供方法，通过调控钠盐/酸溶液的浓度以及活化温度来控制所制得的大孔活性碳纤维表面大孔孔径大小，孔径主要随钠盐浓度以及温度的提高而增大。所获得的活性碳纤维表面大孔孔径可以控制在50～600nm，而强度则大于0.3GPa。

本发明的优点是：制备得到的活性碳纤维表面孔径大于50nm，而且活性碳纤维强度较高。本发明直接利用碳纤维为原料，活化工艺简单，产品强度较高。

附图说明

图1为100nm＜孔径＜600nm的大孔型活性碳纤维的电镜图；

图2为200nm＜孔径＜600nm的大孔型活性碳纤维的电镜图；

图3为50nm＜孔径＜100nm的大孔型活性碳纤维的电镜图；

图4为50nm＜孔径＜300nm的大孔型活性碳纤维的电镜图；

图5为50nm＜孔径＜400nm的大孔型活性碳纤维的电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例1

步骤1、将浓度为10wt％的磷酸水溶液和浓度为0.5mol/L的氯化钠水溶液按体积比为1∶1混合，随后将强度为0.7GPa的粘胶基碳纤维浸渍其中24小时，取出后于100℃烘干；

步骤2、放入活化炉中，在氮气保护下以速率20℃/min加热至1000℃，恒温0.5小时，冷却至室温之后得到强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维活性碳纤维，其中，加热至600℃后通入水蒸汽，并且在冷却过程中，当温度降低至200℃后，关闭氮气和水蒸汽。通过电镜照片(图1)可以看出所获得的大孔型活性碳纤维表面布满大孔(100nm＜孔径＜600nm)，并且通过常规的碳纤维强度测试方法测得强度达到0.45GPa。

实施例2

步骤1、将浓度为15wt％的硝酸和硫酸的混合水溶液和饱和浓度的磷酸氢二钠和硝酸钠的混合物水溶液按体积比为1∶1混合，随后将强度为0.5GPa的粘胶基碳纤维浸渍其中12小时，取出后于100℃烘干；

步骤2、放入活化炉中，在氦气保护下以速率10℃/min加热至900℃，恒温0.5小时，冷却至室温之后得到强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维活性碳纤维，其中，加热至600℃后通入水蒸汽，并且在冷却过程中，当温度降低至200℃后，关闭氦气和水蒸汽。通过电镜照片(图2)可以看出所获得的大孔型活性碳纤维表面布满大孔(200nm＜孔径＜600nm)，并且通过常规的碳纤维强度测试方法测得强度达到0.32GPa。

实施例3

步骤1、将浓度为20wt％的盐酸和2mol/L的磷酸二氢钠水溶液按体积比为1∶1混合，随后将强度为0.6GPa的粘胶基碳纤维浸渍其中12小时，取出后于100℃烘干；

步骤2、放入活化炉中，在氩气保护下以速率15℃/min加热至900℃，恒温1小时，冷却至室温之后得到强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维活性碳纤维，其中，加热至600℃后通入水蒸汽，并且在冷却过程中，当温度降低至200℃后，关闭氩气和水蒸汽。通过电镜照片(图3)可以看出所获得的大孔型活性碳纤维表面布满大孔(50nm＜孔径＜100nm)，并且通过常规的碳纤维强度测试方法测得强度达到0.39GPa。

实施例4

步骤1、将浓度为5wt％的硝酸、磷酸和盐酸的混合物水溶液和1mol/L的氯化钠、硝酸钠、和硫酸钠的混合物水溶液按体积比为1∶1混合，随后将强度为0.7GPa的聚丙烯腈基碳纤维浸渍其中12小时，取出于100℃后烘干；

步骤2、放入活化炉中，在氮气和氩气混合气体保护下以速率5℃/min加热至800℃，恒温1小时，冷却至室温之后得到强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维活性碳纤维，其中，加热至600℃后通入水蒸汽，并且在冷却过程中，当温度降低至200℃后，关闭氮气和氩气混合气体和水蒸汽。通过电镜照片(图4)可以看出所获得的大孔型活性碳纤维表面具有大孔(50nm＜孔径＜300nm)，并且通过常规的碳纤维强度测试方法方法测得强度达到0.49GPa。

实施例5

步骤1、将浓度为20wt％的盐酸和2mol/L的磷酸二氢钠水溶液按体积比为1∶1混合，随后将强度为0.6GPa的沥青基碳纤维浸渍其中12小时，取出于100℃后烘干；

步骤2、放入活化炉中，在氮气保护下以速率20℃/min加热至1100℃，恒温1小时，冷却至室温之后得到强度大于0.3GPa的大孔活性碳纤维活性碳纤维，其中，加热至600℃后通入水蒸汽，并且在冷却过程中，当温度降低至200℃后，关闭氮气和水蒸汽。通过电镜照片(图5)可以看出所获得的大孔型活性碳纤维表面具有大孔(50nm＜孔径＜400nm)，并且通过常规的碳纤维强度测试方法方法测得强度达到0.4GPa。

通过常规的碳纤维强度测试方法测试得下表

  未实施本  发明的大  孔纤维  实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  强度  (GPa)  0.03-0.1  0.45  0.32  0.39  0.49  0.40