一种木质中孔活性炭原丝及纤维的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种木质中孔活性炭原丝及纤维的制备方法，具体地说，是一种利用木材等生物质资源液化物制备中孔活性炭纤维，本发明还涉及用于制备中孔活性炭纤维所用的新型制孔剂，以及活化过程中的孔隙调控技术。
【背景技术】
[0002]活性炭纤维亦称纤维状活性炭，是二十世纪六十年代发展起来的一种新型高效吸附材料和环保工程材料，是继粉状和粒状活性炭之后的第三代活性吸附材料。与粒状或粉状活性炭相比，活性炭纤维有很多优点，它直径细、孔结构丰富、吸附容量大、吸脱速度快、再生容易，对低浓度的吸附效率高。另外活性炭纤维制品滤损小、容易处理、杂质少、净化程度高，对有机和无机气体及液相中的有机物和贵重金属离子有较好的吸附量和较快的吸附速度，并且净化效率高。最重要的是具有普通纤维的机械物理性能，能够自由的加工成不同形态的纤维制品，也能与其他功能纤维复合使用，以便于设计出更加小型紧凑的各种吸附和过滤装置，为实际应用带来更大的便利。所以，目前已经在环保、食品、化工化学、医疗卫生、航空航天、国防军工、原子能、日常生活和纺织等领域应用了活性炭纤维及其制品。
[0003]大多数活性炭纤维主要以微孔为主。微孔结构赋予了活性炭纤维高的比表面积，而高比表面积保证了出色的吸附性能，并且使得活性炭纤维在气体污染方面受到很大的青睐，但在实际的应用中，进行吸附时一般不是单一的需要吸附的物质，这时单一微孔的活性炭纤维的应用就会受到极大地限制，特别是对一些大分子物质的吸附，微孔性的活性炭纤维所受到的限制越来越明显，因此对制备具有大量中孔孔隙的活性炭纤维对于活性炭纤维的应用意义重大。
[0004]目前，活性炭纤维的制备原料主要以化石资源如粘胶基、聚丙烯腈基、沥青基、酚醛基等为主，但随着化石资源的日益枯竭，地球生态环境污染的日益加剧，新的具有可持续利用的原料资源的开发变得越发重要。另外，为提高活性炭纤维的中孔率，研究者使用了大量的制孔剂，如K0H、FeS04、Ti02、Mg0、AgN03、Co+等。由于采用的有机金属作为中孔促进剂，最终产品中不可避免的引入不可必要的金属离子，使之在应用开发特别是用作催化剂载体和医用材料时，有可能会造成不良后果，并且也增加了中孔活性炭纤维的生产成本。
[0005]本发明人以木材等生物质资源为原料，利用其液化产物制备成纺丝液，在纺丝的过程中加入生物活性颗粒炭作为制孔剂，再经过纺丝、固化、活化等一系列工艺制备出含有大量中孔的木质活性炭纤维。该方法不但克服金属制孔剂的残留问题，而且以生物质资源作为活性炭纤维和制孔剂原料的主要来源，降低了中孔活性炭纤维的生产成本，提高生物质资源利用率和产品的附加值，并且制备的木质中孔活性炭纤维中孔率达80%以上，大大提高了中孔的产生。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种利用木材等生物质液化物制备木质中孔活性炭纤维，该中孔活性炭纤维的主要原料是以木材等生物质资源为主。
[0007]本发明首先将木材等生物质材料经液化后合成纺丝液，再加入制孔剂纺制成原丝经固化、活化获得中孔活性炭纤维。
[0008]因此，本发明的另一个目的是提供一种可用于制造大量中孔的制孔剂。
[0009]本发明的技术方案如下:
[0010]一种木质中孔活性炭原丝的制备方法，步骤如下:
[0011 ] 1)将生物质原料粉碎成粉末，加入苯酚，用磷酸作为催化剂进行液化反应，得液化物；
[0012]2)按液化物重量3?6 %的加入合成剂，从室温经20?50min匀速加热到合成温度100?130°C，反应2?lOmin，得纺丝液；
[0013]3)将纺丝液中加入制孔剂活性炭，制孔剂按纺丝液重量的0.5?2.5%加入，混合均匀后，放入纺丝机中120?150°C熔融纺丝得到原丝。
[0014]所述的苯酚加入为原料重量4?6倍。
[0015]所述的磷酸加入量为苯酚重量的6%?8%的浓度为85%磷酸。
[0016]所述的液化反应为在常压下搅拌于150°C?160°C，反应2.5?3h。
[0017]所述的合成剂是多聚甲醛、糠醛、六次甲基四胺或三聚甲醛中的一种或多种。
[0018]所述的生物质原料是木材、竹材、秸杆或植物纤维等；将生物质原料在粉碎，原料粉末的细度以20?80目。
[0019]所述的制孔剂活性炭制备方法:
[0020]1)将生物质原料粉碎成粉末，颗粒大小以200?300nm ；
[0021]2)将生物质原料粉末放入活化炉中，在队保护下以2?5°C /min的升温速度均匀加热到400?600°C，然后用6?10g/min水蒸气活化30?60min后自然冷却到室温，得到制孔剂生物质活性炭。
[0022]纺制得到的原丝作固化处理，具体固化方法是:将原丝浸入醛的酸性溶液中，以10?25°C /h的升温速度加热到85?97°C，然后在80?97°C固化1?4h。
[0023]利用原丝制备木质中孔活性炭纤维的方法，将固化后的原丝放入炭化炉中，在N2保护下进行炭化、活化处理后获得木质中孔活性炭纤维。
[0024]木质中孔活性炭纤维的孔隙调控方法，在于将原丝在队保护下以2?5°C /min的升温速度均勾加热到700?900°C，炭化30min后通6?10g/min水蒸气进行活化处理30?60min可获得不同中孔率的木质中孔活性炭纤维。
[0025]本发明方法制备的中孔活性炭纤维，具有以下特点:
[0026]比表面积:967?2604 (m2/g)，
[0027]中孔率:55?86(% )，
[0028]得率:17?45(%)，
[0029]平均孔径:1.95 ?2.08 (nm)。
[0030]本发明人根据生物质材料的特性，应用液化技术和炭化活化技术，经过大量研究和试验，采用本发明技术利用生物质材料液化物制备的新型中孔活性炭纤维，其中孔率可达到55?86%，其性能比现有该产品的中孔率都高。另外，该发明利用自制的生物质活性炭作为中孔制孔剂，具有价廉质优，制孔效果明显，无二次污染。同时，该技术以生物质资源作为中孔活性炭纤维双重原料，降低了生产成本，在市场上具有很强的竞争力。
【附图说明】
[0031]图1:木质中孔活性炭纤维原丝；
[0032]图2:木质中孔活性炭纤维。
【具体实施方式】
[0033]本发明所述的纺丝液，由下述方法制备:
[0034]1)将木材等生物质原料粉碎成粉末，加入苯酚，用磷酸作为催化剂进行液化处理，得液化物；
[0035]2)按液化物重量3?6 %的加入合成剂，从室温经20?50min匀速加热到合成温度100?130°C，反应2?lOmin，得纺丝液；
[0036]本发明研究人员经过多年研究试验发现，磷酸在无机酸催化剂中的催化性能最好，所以采用磷酸对木材等生物质原料进行液化处理，具体为:将木质生物质原料粉碎成粉，加入原料重量4?6倍的苯酚和相当于苯酚加入重量的6 %?8 %的浓度为85 %的磷酸催化剂，在常压下搅拌于150°C?160°C反应2.5?3h，得液化物。液化处理可在常用液化装置下进行。
[0037]其中，所述的合成剂可以是多聚甲醛、糠醛、六次甲基四胺、三聚甲醛中的一种或多种。
[0038]其中，所述的可选用的木材等生物质原料可以是木材、竹材、秸杆、植物纤维等。所述原料粉末的细度以20?80目(网筛孔径0.9?0.18mm)为宜，可将生物质原料在粉碎机中粉碎而成。
[0039]上述液化处理可在常用液化装置下进行。
[0040]将上述获得的纺丝液中加入自制的制孔剂活性炭，制孔剂按纺丝液重量的0.5?2.5%加入，混合均匀后，放入纺丝机中120?150°C熔融纺丝得到原丝。
[0041]本发明所本发明所述的制孔剂，由下述方法制备:
[0042]1)将木材等生物质原料粉碎成粉末，颗粒大小以200?300nm为宜；
[0043]2)木材等生物质原料粉末放入活化炉中，在N2保护下(N 2流量为60?lOOmL/min)以2?5°C /min的升温速度均勾加热到400?600°C，然后用6?10g/min水蒸气活化30?60min后自然冷却到室温，得到制孔剂生物质活性炭；
[0044]纺制得到的原丝作固化处理，具体固化方法是:将原丝浸入醛的酸性溶液中，以10?25°C /h的升温速度加热到85?97°C，然后在80?97°C固化1?4h。
[0045]上述醛的酸溶液可以是18.5%的甲醛的草酸溶液，也可以是18.5%的甲醛的盐酸溶液。
[0046]进一步，本发明将上述制备得到的原丝经碳化/活化得到木质中孔活性炭纤维，其具体方法是:将原丝放入炭化炉中，在N2保护下(N2流量为60?100mL/min)以2?5°C/min的升温速度均勾加热到700?900°C，炭化30min后通6?10g/min水蒸气进行活化处理30?60min然后冷却到室温，得到木质中孔活性炭纤维。
[0047]下面实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0048]实施例1
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