CN100423819C - 一种炭中空纤维的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种炭中空纤维的合成方法，该炭中空纤维至少由外层炭壳和空心核组成，外层炭壳为多孔结构，且孔与空心核互相连通。该炭中空纤维制备方法是以聚合物中空纤维为模板，在聚合物中空纤维上吸附高温不挥发炭源后，在隔绝空气和氧气条件下，于673K～1473K的高温炭化，从而得到炭中空纤维。这种炭中空纤维由于具有多孔结构，比表面较大，可用作吸附材料、储能材料、保温绝热材料、微反应器。
Description
技术领域
本发明涉及一种炭中空纤维的合成方法，炭中空纤维为一种新型材料。
背景技术
中空纤维是近年来发展起来的一种新型结构材料，广泛应用于超滤、微滤、分离、渗析等领域，是目前研究的热点之一。目前这方面的研究较多的集中在聚合物中空纤维，如聚砜、聚烯烃、聚纤维素酯、聚乙烯醇等。其他材料的中空纤维尚比较少见。
炭中空纤维作为一种新型材料，它同时集中了中空纤维的优势与炭材料的特性，与传统的聚合物中空纤维材料相比较，具有更广泛的应用价值。
但目前炭中空纤维的合成方法较为复杂，现有的炭中空纤维的合成方法一种是利用双组分聚合物进行挤塑，得到实心纤维材料，控制聚合物体系，让内层聚合物高温熔融挥发，而外层聚合物高温炭化，从而得到炭中空纤维；另一种是直接合成中空聚合物材料，而后经过不熔融炭化处理，获得炭中空纤维。这些方法操作过程繁琐，工艺复杂，生产成本高，对聚合物纤维的要求高，选择面窄，不利于炭中空纤维的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的操作过程繁琐，工艺复杂，生产成本高等不足，并提供一种炭中空纤维及其合成方法和用途。这种炭中空纤维材料具有优良的力学性能、良好的导电性、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、高的吸附能力，在催化、吸附、传感、电极材料、能源储存等方面显示出良好的应用前景，且合成方法简单易行。
本发明提供的技术方案是：该炭中空纤维至少由外层炭壳和空心核组成，外层炭壳为多孔结构，且孔与空心核互相连通；并且炭中空纤维呈管状外观，外径为250μm-750μm，内径为150μm-650μm，炭壳厚度为50μm-100μm。而且，炭中空纤维的空心核为聚合物中空纤维材料的空心核。
本发明还提供了上述炭中空纤维的合成方法：以聚合物中空纤维为模板，在聚合物中空纤维上吸附高温不挥发炭源后，在隔绝空气和氧气条件下，于673K～1473K的高温炭化，从而得到炭中空纤维。
上述用做模板的聚合物中空纤维可以是亲水性中空纤维，对应所用炭源为亲水性炭源，亲水性中空纤维可以是聚醚砜，亲水性炭源可以是蔗糖溶液。聚合物中空纤维也可以是亲油性中空纤维，对应所用炭源为亲油性炭源。亲油性中空纤维可以是聚丙烯，亲油性炭源可以是苯乙烯、二乙烯基苯、丁二烯或糠醇。
上述炭源吸附在聚合物中空纤维表面的方法可以喷涂吸附或浸润吸附，吸附次数可以是1-5次。
本发明提供的炭中空纤维可用作吸附材料、储能材料、保温绝热材料、微反应器。
由于本发明提供的炭中空纤维由外层炭壳和空心核组成，外层炭壳为多孔结构，且孔与空心核互相连通，因此比表面较大，有较强吸附能力，可作为吸附材料用于废水、污染物等的处理。同时这种炭中空纤维的多孔结构也能储存大量气体，用作储能材料和保温绝热材料。又因其具有空心核结构，所以可作为微反应器载体；用作模板材料，用于其他纤维状材料的合成。
具体实施方式
本发明所述的炭中空纤维至少由外层炭壳和空心核组成，外层炭壳为多孔结构，且孔与空心核互相连通，空心核为聚合物中空纤维材料的空心核。且炭中空纤维呈管状外观，外径为250μm-750μm，内径为150μm-650μm，炭壳厚度为50μm-100μm。
下面为制备这种炭中空纤维的实施例。
实施例1：将5ml苯乙烯、5ml二乙烯基苯、500mg偶氮二异丁腈充分混合后，通氮气10min，取聚丙烯中空纤维放入上述混合液，浸泡2h后取出，密封，放入烘箱中于343K反应5h。尔后将材料取出并置于坩埚中，用活性炭将坩埚整体包埋，于马弗炉中1173K灼烧2h，自然冷却后，即得炭中空纤维材料，该炭中空纤维壁厚约50μm，其内径约为500μm。
实施例2：首先按蔗糖∶浓硫酸∶水＝2.5g∶0.3g∶10mL配置蔗糖和硫酸混合液。将聚醚砜浸泡在此混合液中，待充分润湿后取出晾干，完全干燥后，从室温开始，2K/min的升温速度升温至673K并保持5h，让蔗糖充分脱水炭化。此过程重复进行3次，得炭中空纤维材料。该炭中空纤维壁厚约为100μm，其内径约为250μm。
以下为该炭中空纤维的用途的实施例。
实施例3：炭中空纤维球用于环境污染物的吸附
多环芳烃是一类较常见的环境污染物。取一含多环芳烃的水样，在254nm测其紫外吸收，由于多环芳烃的存在，水样有明显的紫外吸收。将按实施例1合成的炭中空纤维材料填装在一滤柱中，让水样通过此滤柱，再对水样进行紫外吸收检测。发现经炭中空纤维处理后的水样无紫外吸收，可见炭中空纤维对多环芳烃有较强的吸附能力，适宜用于环境污染物的去除。
实施例4：炭中空纤维用于模板合成
将钛酸丁酯、水、盐酸、乙醇按1mL∶0.2mL∶0.2mL∶5mL的比例混合，取按本发明实施例2合成的炭中空纤维，浸润在上述钛溶胶中，炭中空纤维充分吸附饱和后，取出抽滤片刻，放入烘箱343K反应12h。钛溶胶以炭中空纤维为支撑进行溶胶-凝胶反应，经干燥灼烧处理灼烧后，可获得二氧化钛中空纤维材料。
Claims (6)
1. 一种炭中空纤维的合成方法，其特征在于：以聚合物中空纤维为模板，在聚合物中空纤维上吸附高温不挥发炭源后，在隔绝空气和氧气条件下，于673K～1473K的高温炭化，从而得到炭中空纤维，得到的炭中空纤维至少由外层炭壳和空心核组成，外层炭壳为多孔结构，且孔与空心核互相连通。
2. 根据权利要求1所述的炭中空纤维的合成方法，其特征在于：聚合物中空纤维是亲水性中空纤维，对应所用炭源为亲水性炭源。
3. 根据权利要求2所述的炭中空纤维的合成方法，其特征在于：亲水性中空纤维是聚醚砜，亲水性炭源是蔗糖溶液。
4. 根据权利要求1所述的炭中空纤维的合成方法，其特征在于：聚合物中空纤维是亲油性中空纤维，对应所用炭源为亲油性炭源。
5. 根据权利要求4所述的炭中空纤维的合成方法，其特征在于：亲油性中空纤维是聚丙烯，亲油性炭源是苯乙烯、二乙烯基苯、丁二烯或糠醇。
6. 根据权利要求1所述的炭中空纤维的合成方法，其特征在于：吸附炭源方式为喷涂吸附或浸润吸附，吸附次数是1-5次。
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