CN101301483B

CN101301483B - 高白度消臭白炭粉及其制造方法和应用

Info

Publication number: CN101301483B
Application number: CN2007100973788A
Authority: CN
Inventors: 宋家严
Original assignee: HUA MAO BIOTECH CO Ltd
Current assignee: HUA MAO BIOTECH CO Ltd
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2027-05-11
Also published as: CN101301483A

Abstract

本发明提供一种高白度消臭白炭粉及其制造方法和应用，将白度高的高孔隙介孔材料粉体作为介孔母材，在所述的介孔母材外层披覆薄层均匀高分子薄膜，再予以高温碳化形成表面碳化的高分子薄膜层；由于碳化的高分子薄膜层较薄，因此可避免过度降低母材的白度，而形成表面为碳层的高孔隙度白色纳米粉体，称之为白炭粉体；利用所述的白炭粉体添加在纤维原料熔融抽丝过程中制作成所述的白炭纤维，可大幅提高传统碳纤维的白度，同时表面碳层可保留传统含碳纤维的功能性，如远红外线、消臭等；而高孔隙介孔材料特性可使白炭纤维在染色程序后仍保有大部分的功能效果；白炭纤维与纱线的色彩变化性因白度提高而大幅提升，在织物色彩应用性上更胜传统含碳纤维。

Description

高白度消臭白炭粉及其制造方法和应用

技术领域

本发明涉及一种白炭粉的制造方法，特别是指一种消臭白炭粉体的制造方法。

背景技术

传统含炭纤维制作主要以炭块研磨成粉体后，添加在抽丝过程中或以黏结剂披覆纤维表面方式制作；为了维持纤维远红外线、消臭等功能特性，添加率需达一定的比例；但无论添加率的多寡，添加炭对纤维均会造成成品纤维白度降低，即黑灰色，而后加工染色也会影响原本的功能，使得含碳纤维应用面大幅缩减；

再如，一般将所述的碳粉直接加入纤维原料中抽成纤维丝，所述的炭粉与纤维的结合，如专利CN1690300、CN2663487、JP2005068565、JP11323747等；

为增加功能特性，将所述的炭粉混合不同功能的材料来提高整体产品的功能特性，如专利CN1690130、CN1689408、CN1618888、JP10043584等；

为解决含碳纤维的白度问题，过去有许多解决方案，加入有机盐类如专利00005158、CN01817919.3使白度提高，以漂白剂处理如专利00300930、CN200410092441.5，加入含TiO2消光剂遮蔽原本的纤维颜色如00422862等；

但由于各类炭粉的白度均极低(约1～5)，因此无论如何在纤维上处理均无法将白度提高至如一般或功能性纤维的白度(70～95)；然有人将煤烧二氧化硅俗称为白炭黑，则与本发明的白炭属不同材料；

但是，目前含碳纤维作法是利用微细化后炭粉，延用既有的纤维工艺，将所述的炭粉以添加物的方式来制作；由于所述的炭粉体白度低，所述的炭粉体与纤维原料混合时如混合不均，容易产生色差的结果，其虽然可经由分散剂的添加、染色来改善，但为维持炭材料原本的特性如远红外线、吸臭等，导致添加在纤维中的竹炭粉含量无法降低，因此处理后能提高白度的空间相当有限；

所以，如何将上述等缺失加以摒除，并提供一种消臭白炭粉的制造方法的同时，进而因白度提高而大幅提升白炭粉体所制作而成的白碳纤维与纱线的色彩变化性，同时具有原本含碳纤维所提供的功能特性，即为本案实用新型设计人所欲解决的技术困难点的所在。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种高白度消臭白炭粉及其制造方法和应用，利用所述的白炭粉添加在纤维原料熔融抽丝过程中，制作成所述的白炭纤维，可大幅提高传统碳纤维的白度，同时表面碳层可保留传统含碳纤维的功能性如远红外线、消臭等；而高孔隙介孔材料特性可使白炭纤维在染色程序后仍保有大部分的功能效果；白炭纤维与纱线的色彩变化性因白度提高而大幅提升，在织物色彩应用性上更胜传统含碳纤维。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：

一种消臭白炭粉与其纤维的制造方法，将白度高的高孔隙介孔材料粉体作为介孔母材，再将所述的介孔母材与纤维素溶液均匀搅拌混和，所述的介孔母材的原始白度为50～95，而所述的介孔母材的粉体粒径为50nm～2000nm，所述的介孔母材的表面孔隙为10nm～1000nm，其中所述的高孔隙介孔材料粉体可为硅藻土、海泡石、沸石、高岭土、大理石、方解石、滑石、玉等天然材料，或是以硅、铝、镁、钠、钙等氧化物、磷化物、氮化物、硅酸盐类等经由表面处理后所制成的人工高孔隙材料等，经由清洗、研磨、过滤、干燥等程序得到；

所述的纤维素溶液以纤维素溶解在水溶液中，比例为0.1～1wt％，所述的纤维素为水溶性高分子溶液，所述的高分子为甲基纤维素、天然植物纤维素(例如：竹浆、椰浆)、天然纤维萃取物、或是油溶性的人造纤维素或是碳链数n满足1<n<3000的合成高分子聚合物，加热搅拌使所述的纤维素完全溶解形成所述的纤维素溶液，所述的纤维素溶液为透明水溶液；

所述的介孔母材与纤维素溶液均匀搅拌混和后，将所述的母材溶液取出烘干或以低温干燥后，所述的介孔母材表面披覆一层高分子薄膜(即纤维素溶液的薄膜)，所述的高分子薄膜厚约50nm～500nm，所述的高分子薄膜填入大部分介孔母材的孔隙内而非遮蔽覆盖，由于厚度极薄，因此可维持所述的介孔母材的孔隙度与介孔母材的原始白度；

再者，将披覆高分子薄膜的高孔隙介孔材料放置在保护气氛的高温炉中，所述的气氛为氮气或氩气，以300～1200℃进行高温碳化，碳化时间10min～6hr；经由高温碳化后使表面高分子薄膜层裂解碳化而形成高分子薄膜碳化层，所述的高分子薄膜碳化层依高分子选择不同，可为竹炭或椰炭膜等；

凭借高分子裂解时体积会缩小，因此可使部分被遮蔽的孔隙恢复，整体孔隙度较披覆高分子膜时提高，同时表面碳化层中也有因裂解而产生的极微细孔隙，可增加原本介孔材料的比表面积，高温碳化后形成的介孔材料粉体称为白炭粉体，具有与碳材相当接近的功能特性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案还包括：

一种高白度消臭白炭粉，其特征在于，该白炭粉是以权利要求1—8的方法制造的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案还包括：

一种高白度消臭白炭粉的应用，其特征在于：在纤维原料熔融抽丝过程中，可将其添加进纤维熔融料中一起抽丝，制作成白炭纤维。

与现有技术相比较，说明本发明具有的有益效果如下：

现有缺失：

1、纤维原料混合不均，容易产生色差。

2、无法将白度提高至如一般或功能性纤维的白度。

3、为维持炭材料原本的特性如远红外线、吸臭等，导致添加在纤维中的炭粉含量无法降低。

本发明优点：

1、高孔隙介孔材料特性可使白炭纤维在染色程序后仍保有大部分的功能效果。

2、粉体含量极高的条件下，依然可以维持相当高的白度。

3、白炭粉体经熔融抽丝所制成的白炭纤维使纤维不仅保有含碳纤维的功能性优点如远红外线放射率、消臭。

附图说明

图1是本发明的介孔母材披覆纤维素溶液与炭化过程的示意图；

图2是本发明的母材表面披覆碳化前、后示意图；

图3是本发明的母材原始高孔隙介孔材料表面状态图；

图4是本发明的母材高孔隙介孔材料表面披覆高分子图；

图5是本发明的高孔隙介孔材料表面披覆高分子后以500℃碳化(白炭粉体) 图；

图6是本发明的介孔材料与无孔材料的消臭率与粒径关系图；

图7是本发明的竹炭母粒与白炭母粒的白度比较图；

图8是本发明的竹炭纤维与白炭纤维的白度比较图。

附图标记说明：21-介孔母材；22-原始微孔；23-碳膜纳米微孔；24-高分子膜碳化层；31-介孔材料披覆碳膜；32-介孔材料；33-无孔材料披覆碳膜；41-白炭母粒；42-竹炭母粒；51-竹炭纤维；52-白炭纤维；61-纤维素溶液；62-母材溶液；63-烘干或低温干燥；64-母材表面披覆一层高分子薄膜；65-保护气氛的高温炉；66-高分子薄膜碳化层。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种消臭白炭粉体与纤维的制造方法，其是将以白度高的高孔隙介孔材料粉体作为介孔母材21，再将所述的介孔母材21与纤维素溶液61均匀搅拌混和后形成母材溶液62(天然的纤维素与甲基纤维素可以溶于水中，将纤维素粉体加入水中搅拌，即可溶解纤维素于水中，适当的加热还可加速溶解速率。只有含碳量高的纤维素需使用油性溶剂，将高碳含量纤维素加入油性溶剂中，加热搅拌可产生溶解效果。)请再参阅图2(a)、图3所示，其中所述的介孔母材21的原始白度为50～95，又所述的介孔母材21的粉体粒径为50nm～2000nm，又所述的介孔母材21的表面孔隙为10nm～1000nm，所述的高孔隙介孔材料粉体可为硅藻土、海泡石、沸石、高岭土、大理石、方解石、滑石、玉等天然材料，或是以硅、铝、镁、钠、钙等氧化物、磷化物、氮化物、硅酸盐类等经由表面处理后所制成的人工高孔隙材料等，经由清洗、研磨、过滤、干燥等程序得到。

所述的纤维素溶液61以纤维素溶解在水溶液中，比例为0.1～1wt％，所述的纤维素为水溶性高分子溶液如甲基纤维素或天然材料，所述的天然材料如竹浆、椰浆萃取物，加热搅拌使所述的纤维素完全溶解形成所述的纤维素溶液61，所述的纤维素溶液61为透明水溶液。

所述的介孔母材21与纤维素溶液61均匀搅拌混和后形成母材溶液62，将所述的母材溶液62取出烘干或低温干燥63后，所述的母材表面披覆一层高分子薄膜64，如图4所示，所述的高分子薄膜厚约50nm～500nm，所述的高分子薄膜填入大部分介孔母材21的孔隙内而非遮蔽覆盖，因此可维持所述的介孔母材21的孔隙度与介孔母材21原始白度。

再者，将披覆高分子薄膜的介孔母材21放置在保护气氛的高温炉65中，所述的气氛为氮气或氩气，以300～1200℃进行高温碳化，碳化时间10min～6hr；经由高温碳化后使表面高分子薄膜层裂解碳化而形成高分子薄膜碳化层66，而如图2(b)所示，所述的高分子薄膜碳化层66可为竹炭或椰炭膜。

凭借高分子裂解时体积会缩小，因此可使部分被遮蔽的孔隙恢复，整体孔隙度较仅披覆高分子膜时提高，如图5所示，同时表面碳化层中也有因裂解而产生的极微细孔隙，可增加原本介孔材料的比表面积，所述的高温碳化后形成的介孔材料粉体称的为白炭粉体，具有与碳材相当接近的功能特性。

其介孔材料与无孔材料的消臭率与粒径关系，如图6所示，原始的介孔材料32消臭率随着粒径的减少，因研磨过后内部孔洞转化为表面积，因此消臭率提升；而以一般无孔材料披覆碳膜33后，原本不具有消臭特性的无孔材料，因表面碳化层所具有的微纳米孔洞而改质成具有消臭特性的材料，其消臭特性因本身不具有孔洞，所以粒径变化影响比表面积变化更大，当粒径增加时，消臭率大幅下降；其介孔材料披覆碳膜31后，使其比表面积大幅提升，因此在消臭率的表现上相当优良，双重消臭机制的贡献，使消臭率相较在粒径的影响也较小，因此有利于纤维制品的开发。

如下表一所揭示相同尺寸下，一般含碳纤维常用的竹炭与介孔材料、高分子披覆的介孔材料、白碳与一般远红外线粉体的比表面积、白度与功能性比较。

表一：各类粉体的比表面积、白度与功能性比较(粒径300nm)

	竹炭	介孔材料	高分子披覆介孔材料	白炭	远红外线粉体
						BET(m2/g)	200～300	120～130	80～90	160～170	10～20
粉体白度	5	82	66	90	85
						远红外线放射率(％)	90％	80％	80％	88％	86％
消臭率(％)	99％	87％	65％	94％	15％

由上表一可得知本发明的白炭粉体无论在比表面积、远红外线放射率、消臭率均为与竹炭最为接近的种类，且其粉体的白度远较竹炭粉体为高，因此可添加在抽丝过程中，制作成为白色的含碳纤维，称为白炭纤维。

如图7所示，将竹炭与白炭与聚对苯二甲酸丁二酯(Poly ButyleneTerephthalate简称PBT)结合制成塑料母粒，以白炭做为母粒41与竹炭母粒42比较，在0～20wt％的粉体添加率中，白炭母粒41的白度均较竹炭母粒42为高一倍以上；再以此两种母粒分别经由抽丝纺纱制作成75/72DTYPET(Drawtexturedyarn简称DTY，称的加工丝；Poly Ethylene Terephthalate简称PET，称之聚对苯二甲酸乙二酯)针织布条作白度测试，测试结果如图8所示，原始一般平光纤维白度为90左右，在添加竹炭粉体的竹炭纤维51中，白度随粉体含量的增加急遽的下降至约20以下。

相反的，白炭纤维52含有任一添加比例的粉体，其白度均较竹炭纤维51来的高，即使在粉体含量极高的条件下，依然可以维持相当高的白度在70左右。整体而言，白炭粉体经熔融抽丝所制成的白炭纤维52，其纤维为天然纤维、内含功能性粉体(功能性粉体系指粉体具有远红外线或负离子产生作用的功能，可与白炭粉体一起加入化学合成纤维中，以增加白炭纤维的功能)的化学合成纤维或一般化学合成纤维，使纤维不仅保有含碳纤维的功能性优点如远红外线放射率、消臭，同时可达到传统含碳纤维所无法达到的白度要求。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的权利要求可限定的范围之内。

Claims

1.一种消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：以白度高的高孔隙介孔材料粉体作为介孔母材，再将所述的介孔母材与纤维素溶液均匀搅拌混和后形成母材溶液；所述的纤维素溶液以纤维素溶解在水溶液中，比例为0.1-1wt％，即为水溶性高分子溶液；所述的介孔母材与纤维素溶液均匀搅拌混和后，将所述的母材溶液取出烘干或以低温干燥后，所述的介孔母材表面披覆一层高分子薄膜，其厚度为50nm～500nm；然后，将披覆高分子薄膜的高孔隙介孔材料放置在具有保护气氛的高温炉中，进行高温碳化，温度为300～1200℃，其碳化时间10min～6hr，以形成白炭粉体；

其中所述介孔母材的原始白度为50～95，粉体粒径为50nm～2000nm，表面孔隙为10nm～1000nm，所述高孔隙介孔材料为选自硅藻土、海泡石、沸石、高岭土、大理石、滑石、玉的天然材料，或是选自以硅、铝、镁、钠、钙的氧化物、磷化物、氮化物或硅酸盐经由表面处理后所制成的人工高孔隙材料。

2.根据权利要求1所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的白炭粉用来制成白炭纤维。

3.根据权利要求2所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的纤维为天然纤维或内含功能性粉体的化学合成纤维或一般化学合成纤维，所述粉体具有远红外线或负离子产生作用的功能。

4.根据权利要求1所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的高分子为甲基纤维素。

5.根据权利要求1所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的高分子为天然植物纤维素。

6.根据权利要求1所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的高分子为天然纤维萃取物。

7.根据权利要求1所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的高分子为油溶性的人造纤维素。

8.根据权利要求1所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的高分子是碳链数n满足1＜n＜3000的合成高分子聚合物。

9.根据权利要求5所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的天然植物纤维素是竹浆或者椰浆。

10.根据权利要求1所述的消臭白炭粉的制造方法，其特征在于：所述的保护气氛为氮气或氩气。

11.一种高白度消臭白炭粉，其特征在于，该白炭粉是以权利要求1-10任一项所述的方法制造的。

12.一种权利要求11所述的高白度消臭白炭粉的应用，其特征在于：在纤维原料熔融抽丝过程中，将其添加进纤维熔融料中一起抽丝，制作成白炭纤维。