CN103290526B - 一种木质活性碳纤维的制备方法 - Google Patents

一种木质活性碳纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用木质生物质为原料通过物理活化制备木质活性碳纤维的方法,该方法是将木粉置于液化装置中,加入多元醇混合物为液化剂,在酸催化条件下制备液化物;加入合成剂合成纺丝液后、熔融纺丝,制得纤维原丝;最后将原丝置于碳化、活化装置中,以水蒸气作为活化剂制备获得木质活性碳纤维。本发明以木质生物质为原料,与现有的生物质碳纤维(如木质素基、木质基、粘胶基)相比,采用本发明方法获得的木质活性碳纤维,其优势在于原料来源广泛、液化效率高、无毒无污染、纺丝温度低、工艺简单,可有效降低生产成本,提高木质材料的使用效率和利用附加值。

Description

一种木质活性碳纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及化工及新材料领域,具体地说,涉及一种木质活性碳纤维的制备方法。
背景技术
活性碳纤维(ACF)是20世纪60年代发展起来的一种性能优于粉末活性炭和粒状活性炭的新型吸附材料。该材料的特性包括:孔径分布窄、微孔丰富、具有大的比表面积、独特的表面化学性质和吸附脱附速度快等。正是由于这些特性,近年来活性碳纤维得到了迅速的发展,广泛应用于各个领域。碳纤维产业对国民经济发展具有极为重要的战略意义,然而碳纤维材料的原料主要依赖于化石资源。随着人们环保意识的增强及化石资源的逐渐枯竭,研究热点逐渐转向利用可再生资源替代化石资源制备碳纤维的领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用木质生物质为原料通过物理活化制备木质活性碳纤维的方法。
为了实现本发明目的,本发明的一种木质活性碳纤维的制备方法,其是将木粉置于液化装置中,加入多元醇混合物为液化剂,在酸催化条件下制备液化物;加入合成剂合成纺丝液后、熔融纺丝,制得纤维原丝;最后将原丝置于碳化、活化装置中,以水蒸气作为活化剂制备获得木质活性碳纤维。
具体地,本发明的一种木质活性碳纤维的制备方法,包括以下步骤:
1)将木材粉碎后得到木粉,将木粉与多元醇按照重量比1:1.5-6混合,加入酸性催化剂,在150℃-180℃下搅拌液化60min-90min,得到木材液化物原液;2)向上述原液中加入原液重量40%-60%的有机溶剂进行稀释,然后在103℃±2℃下干燥8h-12h(优选12h),得到除去水分后的木材液化物;3)向上述木材液化物中加入液化物重量20%-40%的合成剂后,从室温加热至100℃-120℃,恒温反应30min-60min(优选30min),得到木材液化物纺丝液;4)向上述纺丝液中加入纺丝液重量5%-15%(优选10%)的扩链剂后,加热至40-60℃时熔融纺丝,得到纤维原丝;5)将纤维原丝置于活化装置中,在氮气保护下,加热至700℃-900℃进行碳化,同时通入水蒸气进行活化,即得木质活性碳纤维。
其中,步骤1)中使用的多元醇为聚乙二醇与丙三醇按重量比7:3配制成的多元醇混合物;聚乙二醇为PEG200-6000,即平均分子量在200到6000的聚乙二醇高聚物的一种或多种。
步骤2)中使用的有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或二甲基亚砜等中的一种或多种。优选使用的有机溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)。
步骤3)中使用的合成剂为液化二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),即碳化二亚胺改性的MDI、氨基甲酸酯改性的MDI或碳化二亚胺-尿酮亚胺改性的MDI等中的一种或多种。
前述制备方法中,步骤1)使用的酸性催化剂为硫酸、盐酸或磷酸,加入量为多元醇重量的3%-10%。优选使用浓度为72%的硫酸作为催化剂。
前述制备方法中,步骤3)中在向木材液化物中加入合成剂后,从室温经过30-60min均匀加热到100℃-120℃。
前述制备方法中,步骤5)中碳化升温速率为2℃-4℃/min。
前述制备方法中,步骤5)中通入水蒸气的流量为1.5-2.5mL/min/g,通入水蒸气的时间为60min。
前述制备方法中,步骤5)中停止通入水蒸气后,待活化装置温度降至400℃,停止通入氮气,最终使活化装置降至室温。
前述制备方法中,步骤1)是将木材粉碎后过20-80目得到木粉,在液化反应前还包括对木粉进行干燥处理的步骤。
本发明进一步提供按照上述方法制备的木质活性碳纤维,其性能指标如下:
活化得率:13.74-55.34%
比表面积:916.41-2148.28m2/g
微孔比表面积:672.45-1847.36m2/g
总孔容:0.457-1.568cm3/g
微孔孔容:0.214-1.365cm3/g
平均孔径:1.88-2.36nm
本发明进一步提供由所述木材液化物纺丝液纺制成的碳纤维及活性碳纤维原丝。
本发明的优点在于:
(一)本发明以多元醇为液化剂,与现有的木材苯酚液化工艺相比,最大的特点在于环保、无污染。
(二)本发明液化效率高,较高木液比(木质材料与液化剂比例),可实现木质生物质资源的充分利用。
(三)本发明液化温度低,液化时间短,液化彻底,可节约能耗,提高木质原材料利用率。
(四)本发明利用木质生物质资源,无需对木质材料进行前期的成分分离处理,可实现木质生物质资源的全利用。
(五)本发明纺丝温度低,操作简便易于控制,降低了能耗。采用水蒸气作为活化剂,与活性碳纤维化学活化工艺相比,对环境污染小,装置损耗小。
(六)本发明在物理活化过程中采用一次升温技术,有效减少了制备中的能源消耗,简化生产工艺,提高了产品得率。本发明的木质活性碳纤维的得率为13.74-55.34%。
(七)本发明制备的木质液化物活性碳纤维,性能优于其他工业化活性碳纤维水平。采用本发明方法制得的木质活性碳纤维比表面积为916.41-2148.28m2/g。
附图说明
图1为本发明实施例1-6制备木质活性碳纤维的工艺流程。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段,所用原料均为市售商品。
因篇幅所限,此处仅例举个别实施例的试验数据,本领域技术人员能够理解以本发明其他实施例重复下述试验,也能够得到相同或相近的试验结论。
实施例1木质活性碳纤维的制备
将木材磨碎过80目筛子(网孔直径0.20mm)的木粉,而后将木粉与其3倍重量的聚乙二醇(PEG400)和丙三醇的多元醇混合物(聚乙二醇和丙三醇的重量比为7:3)混和,同时加入浓度为72%的硫酸作为催化剂(硫酸加入量为多元醇重量的3%)到三口烧瓶中,置于预热值150℃的油浴中,安装好冷凝装置,开动搅拌器(转速120rpm),进行木材液化,液化时间60min,得到木材液化物原液。
按木材液化物原液重量比添加40%的二甲基甲酰胺稀释后,置于鼓风干燥箱中,105℃干燥12小时,除去水分。再加入木材液化物重量比为30%的碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯(液化MDI),在120℃反应30min得到木材多元醇液化物纺丝液。
纺丝液中按重量比添加10%的苯二胺,以2℃/min升温至60℃,以收丝辊80转/分的速度进行熔融纺丝,得到初始纤维。将初始纤维在105℃烘箱中干燥4h,得到纤维原丝;称取3.50g原丝置于活化装置中,在氮气保护下,以4℃/min速率升温至700℃碳化、保温,保温的同时通入水蒸气,流量为2.5mL/min/g,反应60min后关闭水蒸气发生器,使活化装置自动降温。温度达到400℃时停止通入氮气。
制得活性碳纤维的活化得率为49.78%,比表面积1148.36m2/g,微孔比表面积为772.65m2/g,总孔容为0.523cm3/g,微孔孔容为0.296cm3/g,平均孔径为1.92nm。
实施例2木质活性碳纤维的制备
将木材磨碎过60目筛网(网孔直径0.30mm)的木粉,而后将木粉与其2倍重量的聚乙二醇(PEG1000)和丙三醇的多元醇混合物(聚乙二醇和丙三醇的重量比为7:3)混和,同时加入浓度为72%的硫酸作为催化剂(硫酸加入量为多元醇重量的5%)到三口烧瓶中,置于预热值150℃的油浴中,安装好冷凝装置,开动搅拌器(转速120rpm),进行木材液化,液化时间60min,得到木材液化物原液。
按木材液化物原液重量比添加40%的二甲基乙酰胺稀释后,置于鼓风干燥箱中,105℃干燥12小时,除去水分。再加入木材液化物重量比为30%的碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯(液化MDI),在120℃反应30min得到木材多元醇液化物纺丝液。
纺丝液中按重量比添加10%的苯二胺,以2℃/min升温至60℃,以收丝辊80转/分的速度进行熔融纺丝,得到初始纤维。将初始纤维在105℃烘箱中干燥4h,得到纤维原丝;称取2.80g原丝置于活化装置中,在氮气保护下,以4℃/min速率升温至800℃碳化、保温,保温的同时通入水蒸气,流量为2.0mL/min/g,反应60min后关闭水蒸气发生器,使活化装置自动降温。温度达到400℃时停止通入氮气。
制得活性碳纤维的活化得率为42.69%,比表面积1351.62m2/g,微孔比表面积为865.93m2/g,总孔容为0.648cm3/g,微孔孔容为0.362cm3/g,平均孔径为1.96nm。
实施例3木质活性碳纤维的制备
将木材磨碎过60目筛网(网孔直径0.30mm)的木粉,而后将木粉与其4倍重量的聚乙二醇(PEG400)和丙三醇的多元醇混合物(聚乙二醇和丙三醇的重量比为7:3)混和,同时加入浓度为72%的硫酸作为催化剂(硫酸加入量为多元醇重量的9%)到三口烧瓶中,置于预热值150℃的油浴中,安装好冷凝装置,开动搅拌器(转速120rpm),进行木材液化,液化时间60min,得到木材液化物原液。
按木材液化物原液重量比添加40%的二甲基甲酰胺稀释后,置于鼓风干燥箱中,105℃干燥12小时,除去水分。再加入木材液化物重量比为30%的碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯(液化MDI),在120℃反应30min得到木材多元醇液化物纺丝液。
纺丝液中按重量比添加10%的苯二胺,以2℃/min升温至60℃,以收丝辊80转/分的速度进行熔融纺丝,得到初始纤维。将初始纤维在105℃烘箱中干燥4h,得到纤维原丝;称取3.84g原丝置于活化装置中,在氮气保护下,以4℃/min速率升温至900℃碳化、保温,保温的同时通入水蒸气,流量为2.0mL/min/g,反应60min后关闭水蒸气发生器,使活化装置自动降温。温度达到400℃时停止通入氮气。
制得活性碳纤维的活化得率为18.42%,比表面积2032.46m2/g,微孔比表面积为1673.52m2/g,总孔容为1.476cm3/g,微孔孔容为1.186cm3/g,平均孔径为2.21nm。
实施例4木质活性碳纤维的制备
将木材磨碎过40目筛网(网孔直径0.45mm)的木粉,而后将木粉与其1.5倍重量的聚乙二醇(PEG1000)和丙三醇的多元醇混合物(聚乙二醇和丙三醇的重量比为7:3)混和,同时加入浓度为72%的硫酸作为催化剂(硫酸加入量为多元醇重量的3%)到三口烧瓶中,置于预热值150℃的油浴中,安装好冷凝装置,开动搅拌器(转速120rpm),进行木材液化,液化时间60min,得到木材液化物原液。
按木材液化物原液重量比添加40%的二甲基甲酰胺稀释后,置于鼓风干燥箱中,105℃干燥12小时,除去水分。再加入木材液化物重量比为30%的碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯(液化MDI),在120℃反应30min得到木材多元醇液化物纺丝液。
纺丝液中按重量比添加10%的苯二胺,以2℃/min升温至60℃,以收丝辊80转/分的速度进行熔融纺丝,得到初始纤维。将初始纤维在105℃烘箱中干燥4h,得到纤维原丝;称取3.35g原丝置于活化装置中,在氮气保护下,以4℃/min速率升温至700℃碳化、保温,保温的同时通入水蒸气,流量为1.5mL/min/g,反应60min后关闭水蒸气发生器,使活化装置自动降温。温度达到400℃时停止通入氮气。
制得活性碳纤维的活化得率为55.34%,比表面积916.41m2/g,微孔比表面积为672.45m2/g,总孔容为0.457cm3/g,微孔孔容为0.214cm3/g,平均孔径为1.88nm。
实施例5木质活性碳纤维的制备
将木材磨碎过80目筛网(网孔直径0.45mm)的木粉,而后将木粉与其4倍重量的聚乙二醇(PEG400)和丙三醇的多元醇混合物(聚乙二醇和丙三醇的重量比为7:3)混和,同时加入浓度为72%的硫酸作为催化剂(硫酸加入量为多元醇重量的9%)到三口烧瓶中,置于预热值150℃的油浴中,安装好冷凝装置,开动搅拌器(转速120rpm),进行木材液化,液化时间60min,得到木材液化物原液。
按木材液化物原液重量比添加40%的二甲基甲酰胺稀释后,置于鼓风干燥箱中,105℃干燥12小时,除去水分。再加入木材液化物重量比为30%的碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯(液化MDI),在120℃反应30min得到木材多元醇液化物纺丝液。
纺丝液中按重量比添加10%的苯二胺,以2℃/min升温至60℃,以收丝辊80转/分的速度进行熔融纺丝,得到初始纤维。将初始纤维在105℃烘箱中干燥4h,得到纤维原丝;称取2.58g原丝置于活化装置中,在氮气保护下,以4℃/min速率升温至900℃碳化、保温,保温的同时通入水蒸气,流量为2.5mL/min/g,反应60min后关闭水蒸气发生器,使活化装置自动降温。温度达到400℃时停止通入氮气。
制得活性碳纤维的活化得率为13.74%,比表面积2148.28m2/g,微孔比表面积为1847.36m2/g,总孔容为1.568cm3/g,微孔孔容为1.365cm3/g,平均孔径为2.36nm。
实施例6木质活性碳纤维的制备
将木材磨碎过60目筛网(网孔直径0.30mm)的木粉,而后将木粉与其4倍重量的聚乙二醇(PEG400)和丙三醇的多元醇混合物(聚乙二醇和丙三醇的重量比为7:3)混和,同时加入浓度为72%的硫酸作为催化剂(硫酸加入量为多元醇重量的9%)到三口烧瓶中,置于预热值150℃的油浴中,安装好冷凝装置,开动搅拌器(转速120rpm),进行木材液化,液化时间60min,得到木材液化物原液。
按木材液化物原液重量比添加40%的二甲基甲酰胺稀释后,置于鼓风干燥箱中,105℃干燥12小时,除去水分。再加入木材液化物重量比为30%的碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯(液化MDI),在120℃反应30min得到木材多元醇液化物纺丝液。
纺丝液中按重量比添加10%的苯二胺,以2℃/min升温至60℃,以收丝辊80转/分的速度进行熔融纺丝,得到初始纤维。将初始纤维在105℃烘箱中干燥4h,得到纤维原丝;称取3.12g原丝置于活化装置中,在氮气保护下,以4℃/min速率升温至800℃碳化、保温,保温的同时通入水蒸气,流量为2.0mL/min/g,反应60min后关闭水蒸气发生器,使活化装置自动降温。温度达到400℃时停止通入氮气。
制得活性碳纤维的活化得率为37.54%,比表面积1654.66m2/g,微孔比表面积为1042.42m2/g,总孔容为0.786cm3/g,微孔孔容为0.495cm3/g,平均孔径为2.16nm。
实施例1-6的工艺流程如图1所示。
本发明以木材加工剩余物为制备活性碳纤维的原料,不仅提高了林业资源综合利用水平和产品附加值,而且也缓解了化石资源日益枯竭带来的原材料不足的局面,维护了生态环境。
本发明制备的生物质液化物活性碳纤维,利用农林剩余物液化产物合成碳纤维原丝,再通过物理活化方法,制备出高吸附性木质剩余物液化产物碳纤维材料。我国木质生物质资源丰富,同时加工水平以及木质资源制品的二次利用水品非常有限,因此采用本发明方法制备活性碳纤维,不仅有效降低了生产成本,提高木质材料的使用效率和利用附加值,为木质资源的利用开辟了新途径。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种木质活性碳纤维的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将木材粉碎后得到木粉,将木粉与多元醇按照重量比1:1.5-6混合,加入酸性催化剂,在150℃-180℃下搅拌液化60min-90min,得到木材液化物原液;
2)向上述原液中加入原液重量40%-60%的有机溶剂进行稀释,然后在103℃±2℃下干燥8h-12h,得到除去水分后的木材液化物;
3)向上述木材液化物中加入液化物重量20%-40%的合成剂后,从室温加热至100℃-120℃,恒温反应30min-60min,得到木材液化物纺丝液;
4)向上述纺丝液中加入纺丝液重量5%-15%的扩链剂后,加热至40℃-60℃时熔融纺丝,得到纤维原丝;
5)将纤维原丝置于活化装置中,在氮气保护下,加热至700℃-900℃进行碳化,同时通入水蒸气进行活化,即得木质活性碳纤维;
其中,步骤2)中使用的有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种或多种,步骤3)中使用的合成剂为液化MDI,步骤4)中使用的扩链剂为苯二胺、乙二胺、丙二胺中的一种或多种;步骤3)中使用的液化MDI为碳化二亚胺改性的MDI、氨基甲酸酯改性的MDI或碳化二亚胺-尿酮亚胺改性的MDI中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中使用的多元醇为聚乙二醇与丙三醇按重量比7:3配制成的多元醇混合物,所述聚乙二醇为PEG200-6000。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中使用的酸性催化剂为硫酸、盐酸或磷酸,加入量为多元醇重量的3%-10%。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3)中在向木材液化物中加入合成剂后,从室温经过30-60min均匀加热到100℃-120℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤5)中碳化升温速率为2℃-4℃/min。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤5)中通入水蒸气的流量为1.5-2.5mL/min/g,通入水蒸气的时间为60min。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,步骤5)中停止通入水蒸气后,待活化装置温度降至400℃,停止通入氮气,最终使活化装置降至室温。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中是将木材粉碎后过20-80目得到木粉,在液化反应前还包括对木粉进行干燥处理的步骤。
9.根据权利要求1-8任一项所述方法制备的木质活性碳纤维。
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木材多元醇液化物的结构表征及缩聚反应路径;牛敏;《中国博士学位论文全文数据库 农业科技辑》;20110915(第09期);第17页第2.2节,图2-2(a),第2.2.2.2节,第93-100页第7节,图7-1 *

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