CN102505188A - 一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，首先通过熔融纺丝技术制备聚偏氯乙烯原丝，然后采用微波加热进行低温预氧化处理，使聚偏氯乙烯主链上形成共轭双键，最后采用高温碳化处理使共轭双键环化得到活性碳纤维。本发明所采用的微波加热技术大大缩短了聚偏氯乙烯主链上形成共轭双键的时间，因此有效提高了碳纤维的制备效率，缩短了制备周期，不仅提高了产量，并且节约了大量的能源，促进了聚偏氯乙烯代替聚丙烯腈制备活性碳纤维，实现其产业化应用的进程。

Description

一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法

技术领域

本发明涉及碳纤维技术领域，具体涉及一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法。

背景技术

活性炭纤维(ACF)，亦称纤维状活性炭，是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。其超过50％的碳原子位于内外表面，构筑成独特的吸附结构，被称为表面性固体。它是由纤维状前驱体，经一定的程序炭化活化而成。较发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量，且由于它可方便地加工为毡、布、纸等不同的形状，并具有耐酸碱耐腐蚀特性，使得其一问世就得到人们广泛的关注和深入的研究。

活性炭纤维的应用相当广泛，可用于有机溶剂的回收装置，水的净化，有害有毒气体的去除和净化及电子电器材料等。

日本是开发活性炭纤维最早的国家，日本的东洋纺织公司1975年实现了活性炭纤维的工业化生产。在20世纪70年代，日本已开始将有机物炭化技术的研究成果用于环境保护等方面，该研究受到各国开发研究人员的密切关注，现已成为当代世界开发的热点项目之一。日本已进入活性炭纤维工业化的发展时期，总产能力为千吨。

我国从80年代开始投入力量进行活性炭纤维的研究，到90年代末开始进入工业化生产时期，总产能力为百吨。目前，我国对活性炭纤维的生产与开发还仅处于初始阶段，其应用领域还很有限，在水处理、工厂空气净化、化学物质吸附等方面应用的市场开发潜力极大，随着环境保护各项法规的进一步建立与完善，以及绿色化学时代的到来，ACF必将呈现光明的发展前景。

目前用于生产活性炭的基体材料主要是聚丙烯腈(PAN)与粘胶纤维。但是，在生产过程中由于以丙烯腈为单体，本身具有较大的毒性，再加上在碳化过程中会产生氰化氢、一氧化碳、氨气以及氮氧化合物等高度危害性气体，对环境以及人体的伤害比较大。

聚偏氯乙烯(PVDC)是一种无毒聚合物，其分子结构分析显示它是一种可用于制备碳纤维的较好材料，并且由于它的分解产物为氯化氢，易溶于水，可以进行回收利用得到盐酸。因此，有望采用聚偏氯乙烯代替聚丙烯腈制备活性碳纤维。

但是，以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维时，需要经历以下低温处理与高温处理两个过程最终转换为碳纤维：

(1)在低温过程中，每个偏氯乙烯分子失去一个氯化氢分子，得到一系列的共轭双键；

(2)在低温过程中，发生Diels-Alder反应形成环并且继续脱除氯化氢。

目前，上述低温反应过程所需的时间较长，导致活性碳纤维的生产周期较长，甚至达到7天。因此，为了促进聚偏氯乙烯代替聚丙烯腈制备活性碳纤维，实现其产业化应用，急需探索一种以聚偏氯乙烯为基体生产活性碳纤维，并且能够缩短生产周期的有效方法。

发明内容

本发明的技术目的针对上述以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维时存在的制备周期长的问题，提供一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，该方法不仅能够大大缩短活性碳纤维的生产周期，还能够有效减少在热处理过程中影响碳纤维强度的副反应，从而提高碳纤维的强度和模量，同时该制备方法能够大大减少有毒气体对环境以及人体的伤害。

本发明实现上述技术目的所采用的方案为：以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1、制备聚偏氯乙烯原丝：

按照质量份数计，将100份的聚偏氯乙烯树脂、3～7份的增塑剂以及2～5份的热稳定剂混合均匀后通过熔融挤出机熔融挤出后通入10℃以下的水浴进行淬火，然后采用冷拉牵伸，得到聚偏氯乙烯原丝；

所述的聚偏氯乙烯树脂是由偏氯乙烯单体与氯乙烯单体共聚得到，其中偏氯乙烯单体的质量百分比含量为83％～95％，优选含量为85％～90％；

步骤2、聚偏氯乙烯原丝的低温预氧化处理：

将步骤1处理后的聚偏氯乙烯原丝放入微波加热设备中进行加热处理在135～145℃的条件下加热处理12～24小时，使每个偏氯乙烯单体与氯乙烯单体脱去一个氯化氢气体，得到共轭双键；

步骤3、聚偏氯乙烯原丝的高温碳化处理：

将步骤2处理后的聚偏氯乙烯原丝放入碳化炉中，在氮气保护条件下，以40～80℃/h的恒定升温速率由室温升至850℃～1000℃，并且保温8～12小时，所述的共轭双键环化得到多孔活性碳纤维材料。

上述技术方案的步骤1中：

(1)由于聚偏氯乙烯的熔融温度与分解温度十分接近，导致熔融过程容易分解，因此本发明采用添加增塑剂来降低熔融温度，采用添加热稳定剂来提高热稳定性，为了优化碳纤维的性能，本发明中所选用的聚偏氯乙烯的质量份数为100份，增塑剂的质量份数为3～7份，热稳定剂的质量份数为2～5份，然后混合均匀进行熔融挤出，挤出进行淬火及冷拉牵伸得到聚偏氯乙烯原丝；

(2)由于偏氯乙烯的玻璃化转变温度比较低，只有约17℃，为了防止在牵伸前碳纤维有比较大的结晶度导致后面牵伸比较困难，本发明采用10℃以下的水浴进行低温淬火；

(3)为了保证混合的均匀性，优选采用双螺杆挤出机，有6～12个温度控制区间，各区温度控制在140～170℃之间，喂料速度在10～15kg/h；

另外，冷拉牵伸的牵伸比优选为4～6。

经上述步骤1处理后，得到的聚偏氯乙烯原丝的直径为0.05～0.5mm。

上述技术方案的步骤2是根据成碳机理：首先在聚偏氯乙烯的主链上形成一系列的共轭双键，然后使该共轭双键成环，由于环化需要在高温下进行，所以需要高温碳化处理，但是由于聚偏氯乙烯的熔融温度较低，无法直接将其加热到高温下进行碳化，所以需要进行低温预氧化处理，本发明正是因为采用在微波加热设备中进行低温预氧化处理，大大缩短了聚偏氯乙烯主链上形成共轭双键的时间，随后通过高温碳化处理使该共轭双键成环最终转换为碳纤维，因此，本发明的制备方法有效地缩短了以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的制备周期，能够使制备周期缩短至1天。

所述的微波加热设备包括但不限于微波烘箱、微波炉、带式微波炉/窑、推板式微波炉/窑、辊道式微波炉/窑、梭式微波炉/窑、箱式微波炉/窑或者钟罩式微波炉/窑。

由于纤维在低温预氧化过程中易发生收缩，为了防止聚偏氯乙烯大分子链的松弛和解取向，优选在低温预氧化过程中对聚偏氯乙烯原丝施加应力使其保持绷紧状态。

由于纤维在低温预氧化处理过程中易粘结在一起，为了防止粘结，优选将步骤1得到的聚偏氯乙烯原丝首先放入55～65℃的氢氧化钾的饱和酒精溶液中浸泡40～50min，使聚偏氯乙烯原丝表面形成一层保护层，然后进行后续的低温预氧化处理。

上述技术方案的步骤3中，为了确保碳化过程中添加助剂和氯化氢的脱除，升温速度不宜过快，本发明采用以40～80℃/h的升温速率，以50～60℃/h为最佳，直到温度达到850℃～1000℃，并且保持在此温度下保温8～12小时，得到的碳纤维比表面积大，能够达到1000m²/g以上，孔径分布均匀，孔径达到1～2纳米，适用于吸附性材料。

作为优选，在步骤3中，当温度升至400～700℃时通入活性剂进行活化处理，能够得到孔径优化，比表面积达到1200m²/g以上的中孔活性碳纤维。

本发明所提供的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法具有如下有益效果：

1、选用聚偏氯乙烯为基体制备碳纤维，代替现有的聚丙烯腈与粘胶纤维，整个生产过程对环境的污染及人体的危害较少，得到的副产物可以直接用水进行吸收得到盐酸，因此是一种环保型的制备方法，可直接用于化工行业；

2、采用微波加热进行低温预氧化处理，大大缩短了聚偏氯乙烯主链上形成共轭双键的时间，因此有效提高了碳纤维的制备效率，缩短了制备周期，不仅提高了产量，并且节约了大量的能源，促进了聚偏氯乙烯代替聚丙烯腈制备活性碳纤维，实现其产业化应用的进程；

3、不需要进行活化处理就能得到活性碳纤维，作为优选加入活化剂进行活化处理后能够得到高性能的碳纤维。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

1)原材料准备阶段：

按照质量份数计，取100份聚偏氯乙烯树脂(该聚偏氯乙烯树脂是由偏氯乙烯单体与氯乙烯单体共聚得到，其中偏氯乙烯单体的含量为85％)、5份邻苯二甲酸二乙酯、2.5份水杨酸苯酯加入高速混合机中进行混合10分钟，然后取出待用。

2)原丝制备阶段：

采用双螺杆挤出机，挤出机的温度共有9个区，温度分别设置为140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、160℃、160℃、155℃、150℃，待温度到达指定值后将混合均匀的聚偏氯乙烯树脂通过料斗加入到螺杆中进行熔融挤出，进料速度控制在10kg/h，从喷丝板出来后立刻通入10℃的水浴中进行淬火，并且在牵伸比约4的条件下将纤维进行冷拉伸牵伸，得到直径为0.05～0.5mm的聚偏氯乙烯原丝。

3)表面处理阶段：

将得到的聚偏氯乙烯原丝在60℃的温度下放入氢氧化钾的饱和酒精溶液中浸泡45min。

4)低温预氧化阶段：

将经过步骤3表面处理的聚偏氯乙烯原丝放入微波烘箱中进行加热处理，同时对该聚偏氯乙烯原丝施加应力使其保持绷紧定长状态，将温度设定为140℃左右，在微波烘箱中进行1天的热处理就可以使得每个偏氯乙烯单体以及氯乙烯单体脱去一个氯化氢气体，得到一系列共轭双键。

5)高温碳化阶段：

将经过低温预氧化处理的聚偏氯乙烯原丝放入碳化炉中，在氮气保护条件下，以50℃/h的恒定升温速率由室温升至850℃并且保温12小时，得到多孔活性碳纤维材料，该碳纤维的比表面积为1000m²/g，孔径为1～2纳米。

上述方法制得的碳纤维由于比面积较大，可以用于活性碳纤维材料。

对比实施例1：

与实施例1对比，本实施例中的步骤1、2、3与5与实施例1相同，所不同的是在步骤4低温预氧化阶段，将经过步骤3表面处理的聚偏氯乙烯原丝放入普通烘箱，而不是微波烘箱中进行加热处理，具体步骤4如下：

4)低温预氧化阶段：

将经过步骤3表面处理的聚偏氯乙烯原丝放入普通烘箱中进行加热处理，同时对该聚偏氯乙烯原丝施加应力使其保持绷紧定长状态，将温度设定为140℃左右，在微波烘箱中进行1天的热处理。

上述方法制得的碳纤维纤维在高温热处理过程中会发生断裂，无法成型。

对比实施例2：

与实施例1对比，本实施例中的步骤1、2、3与5与实施例1相同，所不同的是在步骤4低温预氧化阶段，将经过步骤3表面处理的聚偏氯乙烯原丝放入普通烘箱，而不是微波烘箱中进行加热处理，处理时间为5天，具体步骤4如下：

4)低温预氧化阶段：

将经过步骤3表面处理的聚偏氯乙烯原丝放入普通烘箱中进行加热处理，同时对该聚偏氯乙烯原丝施加应力使其保持绷紧定长状态，将温度设定为140℃左右，在微波烘箱中进行5天的热处理。

上述方法制得的碳纤维比表面积约为1000m²/g，孔径也为1～2纳米。

从上述实施例1、对比实施例1以及对比实施例2得出，采用本发明的微波加热将聚偏氯乙烯原丝进行低温预氧化处理能够大大缩短聚偏氯乙烯主链上形成共轭双键的时间，因此有效缩短了制备周期，降低了成本。

实施例2：

本实施例中的步骤1、2、3以及4与实施例1相同，所不同的是在步骤5高温碳化阶段，在温度升至500℃的时候通入活性剂进行活化处理，具体步骤5如下：

5)高温碳化阶段

将经过低温预氧化处理的聚偏氯乙烯原丝放入碳化炉中，在氮气保护条件下，以50℃/h的恒定升温速率由室温升至500℃时通入活性剂进行活化处理，然后继续升温至850℃并且保温12小时，得到多孔活性碳纤维材料，该碳纤维的比表面积达到1200m²/g，孔径为5～10纳米。

实施例3：

本实施例中的步骤1、2、3以及4与实施例1相同，所不同的是在步骤5高温碳化阶段，在温度升至600℃的时候通入活性剂进行活化处理，具体步骤5如下：

5)高温碳化阶段

将经过低温预氧化处理的聚偏氯乙烯原丝放入碳化炉中，在氮气保护条件下，以50℃/h的恒定升温速率由室温升至600℃时通入活性剂进行活化处理，然后继续升温至850℃并且保温12小时，得到多孔活性碳纤维材料，该碳纤维的比表面积达到1100m²/g，孔径为8～15纳米。

实施例4：

本实施例中的步骤1、2、3以及4与实施例1相同，所不同的是在步骤5高温碳化阶段，在温度升至700℃的时候通入活性剂进行活化处理，具体步骤5如下：

5)高温碳化阶段

将经过低温预氧化处理的聚偏氯乙烯原丝放入碳化炉中，在氮气保护条件下，以50℃/h的恒定升温速率由室温升至700℃时通入活性剂进行活化处理，然后继续升温至850℃并且保温12小时，得到多孔活性碳纤维材料，该碳纤维的比表面积达到1050m²/g，孔径为10～20纳米。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1、制备聚偏氯乙烯原丝：

按照质量份数计，将100份的聚偏氯乙烯树脂、3～7份的增塑剂以及2～5份的热稳定剂混合均匀后通过熔融挤出机熔融挤出后通入10℃以下的水浴进行淬火，然后采用冷拉牵伸，得到聚偏氯乙烯原丝；

所述的聚偏氯乙烯树脂是由偏氯乙烯单体与氯乙烯单体共聚得到，其中偏氯乙烯单体的质量百分比含量为83％～95％；

步骤2、聚偏氯乙烯原丝的低温预氧化：

将步骤1处理后的聚偏氯乙烯原丝放入微波加热设备中进行加热处理，在135～145℃的条件下加热处理12～24小时，使每个偏氯乙烯单体与氯乙烯单体脱去一个氯化氢气体，得到共轭双键；

步骤3、聚偏氯乙烯原丝的高温碳化处理：

将步骤2处理后的聚偏氯乙烯原丝放入碳化炉中，在氮气保护条件下，以40～80℃/h的恒定升温速率由室温升至850℃～1000℃，并且保温8～12小时，所述的共轭双键环化得到多孔活性碳纤维材料。

2.根据权利要求1所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：所述的多孔活性碳纤维的孔径为1～2纳米，比表面积为1000m²/g以上。

3.根据权利要求1所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：将步骤1得到的聚偏氯乙烯原丝放入55～65℃的氢氧化钾的饱和酒精溶液中浸泡40～50min。

4.根据权利要求1所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：所述的步骤3中，在加热的同时对所述的聚偏氯乙烯原丝施加应力使其保持绷紧状态。

5.根据权利要求1所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：所述的步骤3中，当温度升至400～700℃时通入活性剂进行活化处理。

6.根据权利要求1所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：所述的步骤3中，当温度升至500℃时通入活性剂进行活化处理。

7.根据权利要求5所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：所述的多孔活性碳纤维的孔径为5～10纳米，比表面积为1200m²/g以上。

8.根据权利要求1所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：所述的步骤1中，冷拉牵伸的牵伸比为4～6。

9.根据权利要求1所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：所述的步骤1中得到的聚偏氯乙烯原丝的直径为0.05～0.5mm。

10.根据权利要求1所述的以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：所述的步骤3中，以50～60℃/h的恒定升温速率由室温升至850℃～1000℃。