CN104047071A

CN104047071A - 一种磁性活性碳纤维的制备方法

Info

Publication number: CN104047071A
Application number: CN201410317561.4A
Authority: CN
Inventors: 刁国旺; 黄建祥; 张旺; 秦贞贞
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2014-09-17

Abstract

一种磁性活性碳纤维的制备方法，属于材料生产技术领域，先将聚丙烯腈和磁性四氧化三铁颗粒溶于N,N-二甲基甲酰胺中，得到纺丝液；经静电纺丝得到原丝，再将原丝依次经过预处理、预氧化、碳化和活化得到磁性的活性碳纤维。本发明方法操作简便，条件易控。制成的材料结构稳定，具有较高的导电性能，可作为电池的电极材料，具有的优异的吸波性能，可在电磁屏蔽中广泛应用。用其作为吸附材料，吸附容量大、吸附速度快，并且吸附后可通过磁铁有效分离，回收的磁性碳纤维可再生利用。

Description

一种磁性活性碳纤维的制备方法

技术领域

本发明属于材料生产技术领域，特别具有磁性的活性碳纤维的生产技术。

背景技术

活性碳纤维（activated carbon fiber，ACF），也称作纤维状活性碳，是一种性能优于粉末活性碳和颗粒活性碳的高效活性吸附材料和环保工程材料，其具有微孔多、比表面积大的结构特点。活性碳纤维能高效的去除气体或溶液中的有害物质，是广泛应用于饮水和空气的净化、溶剂的回收、废水的处理、催化剂的制造以及个体防护等尖端科技领域的高科技材料。近年来碳纤维在溶剂回收及水处理中得到了广泛的应用，因其广大的发展前景而被人们誉为二十一世纪里最为先进的环保材料之一。

碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热所形成的纤维状碳材料，它是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质，其碳含量一般为92%～95%。随着碳化温度的升高，碳纤维结构由乱层结构向三维石墨化结构转化，呈现好的电磁反射性能，特别是在低频下是雷达波的强反射体，而低温处理的碳纤维结构疏松散乱，是电磁波的吸波体和良好的电损耗材料。碳纤维复合材料因高比强、高比模等优点而在结构材料领域应用日益广泛，对碳纤维复合材料进行研究，使其成为具有吸波性能的结构型吸波材料是人们研究的重点方向之一。

磁性碳纤维是具有高强度、质量轻的纤维材料，并且具有较高的导电性能，可作为电池的电极材料。磁性纤维具有优异的吸波性能，随着碳纤维成本的逐步降低和新技术的不断发展，磁性碳纤维在电磁屏蔽中的应用会越来越广泛。用其作为吸附材料，吸附容量大、吸附速度快，并且吸附后可通过磁铁有效分离，回收的磁性碳纤维可再生利用。因此，研究制备方法简单的磁性碳纤维材料具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种方法操作简便，条件易控的磁性活性碳纤维的制备方法。

本发明包括如下步骤：

1）将聚丙烯腈（PAN）和磁性四氧化三铁颗粒溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，得到纺丝液；

2）将纺丝液通过静电纺丝得到初生纤维，即原丝；

3）将原丝依次经过预处理、预氧化、碳化和活化得到磁性的活性碳纤维。

本发明方法操作简便，条件易控。制成的材料结构稳定，具有较高的导电性能，可作为电池的电极材料，具有的优异的吸波性能，可在电磁屏蔽中广泛应用。用其作为吸附材料，吸附容量大、吸附速度快，并且吸附后可通过磁铁有效分离，回收的磁性碳纤维可再生利用。

另外，为了得到的纺丝液粘稠度适中，有利于静电纺丝得到形貌均一的原丝，本发明所述聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的投料比为1g︰10～15mL。由于磁性四氧化三铁颗粒过多影响会后续的静电纺丝，且颗粒会团聚，不能均匀分布于原丝中，因此本发明所述磁性四氧化三铁颗粒与聚丙烯腈的投料质量比为0.01～15︰100。

所述四氧化三铁的粒径为10～100nm。这样的粒径所得到的纺丝液有利于静电纺丝，磁性颗粒在纤维中的分布更均匀。

预处理是：为了提高纤维的粘合力，以质量浓度为10%～30%的氯化锌水溶液进浸泡10～30min。

预处理时，所述原丝与氯化锌水溶液的固液比为1︰40～60，原丝可充分与氯化锌水溶液作用以增强纤维的粘合力。

为了使原丝碳化时不坍塌，固定纤维的形貌，本发明预氧化是：将预处理后的原丝置于空气或氧气氛围中，以2～5℃/min的升温速度，从常温升至120～150℃，然后保温10～25min。

为了得到初生的碳纤维，本发明碳化是：将预氧化后的原丝置于惰性气体氛围中，以5～10℃/min的升温速度，从常温升至500～700℃，然后保温1～2h。

为了使制备的碳纤维具有更高的比表面积，获得成品的磁性活性碳纤维。本发明活化是：先将碳化后的原丝置于质量浓度百分数为10～30%的氢氧化钾水溶液中浸泡10～30min后，取出再有去离子水洗净后干燥；然后再将原丝在惰性气体氛围中，以5～10℃/min的升温速度，从常温升至800～1000℃，然后保温45～60min。

另外，为了去除原丝表面残留的杂质，本发明还在预处理前，将原丝以去离子水淋洗后干燥。

附图说明

图1为制备的磁性活性碳纤维的形貌扫描电镜图。

图2为制备的磁性活性碳纤维的透射电镜图。

图3为制备的磁性活性碳纤维的x-射线衍射图。

图4为制备的磁性活性碳纤维的磁滞回线。

具体实施方式

一、制备方法：

1、纺丝液的制备：在50 mL锥形瓶中加入1g聚丙烯腈（PAN）、0.0001～0.15g粒径为10～100nm的磁性四氧化三铁颗粒和溶剂N,N-二甲基甲酰胺（DMF）10～15mL，常温磁力搅拌5～8h。

2、将纺丝液倒入注射器，进行静电纺丝，取得初生纤维，即原丝。

3、将原丝以去离子水淋洗后，置于50～60℃的温度条件下干燥5～8h。

4、预处理：以质量浓度为10%～30%的氯化锌水溶液对原丝进行浸泡10～30min，原丝与氯化锌水溶液的固液比为1︰40～60。然后取出原丝再用去离子水洗净后干燥。

5、预氧化：将预处理后的原丝放入管式炉中，在空气或者氧气氛围中，以2～5℃/min的升温速度，从常温升至120～150℃，然后保温10～25min。

6、碳化：将预氧化后的原丝放入管式炉中，置于氩气或其他惰性气体氛围中，以5～10℃/min的升温速度，从常温升至500～700℃，然后保温1～2h。

7、活化：先将碳化后的原丝置于质量浓度百分数为10～30%的氢氧化钾水溶液中浸泡10～30min后，取出再有去离子水洗净后干燥。然后再将原丝放入管式炉中，在惰性气体氛围中，以5～10℃/min的升温速度，从常温升至800～1000℃，然后保温45～60min，即可得到磁性活性碳纤维。

二、效率验证：

图1为制备的磁性活性碳纤维的形貌扫描电镜图，放大倍数：×30000，由图中可以看出已经制得了活性碳纤维。

图2为制备的磁性活性碳纤维的透射电镜图，图中细长的为纤维，黑点为分布的磁性四氧化三铁。

图3为制备的磁性活性碳纤维的x-射线衍射图，图中标出了碳峰和四氧化三铁峰，说明制备得到了碳纤维并有四氧化三铁分布在纤维内。

由图4磁性活性碳纤维的磁滞回线可见：以本发明方法制备的碳纤维具有一定的磁性。

Claims

1.一种制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将聚丙烯腈和磁性四氧化三铁颗粒溶于N,N-二甲基甲酰胺中，得到纺丝液；

2）将纺丝液通过静电纺丝得到初生纤维，即原丝；

2. 根据权利要求1所述制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于所述聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的投料比为1g︰10～15mL，所述磁性四氧化三铁颗粒与聚丙烯腈的投料质量比为0.01～15︰100。

3. 根据权利要求1或2所述制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于所述四氧化三铁的粒径为10～100nm。

4. 根据权利要求1所述制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于预处理是：以质量浓度为10%～30%的氯化锌水溶液对原丝进行浸泡10～30min。

5. 根据权利要求4所述制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于预处理时，所述原丝与氯化锌水溶液的固液比为1︰40～60。

6. 根据权利要求1所述制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于预氧化是：将预处理后的原丝置于空气或氧气氛围中，以2～5℃/min的升温速度，从常温升至120～150℃，然后保温10～25min。

7. 根据权利要求1所述制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于碳化是：将预氧化后的原丝置于惰性气体氛围中，以5～10℃/min的升温速度，从常温升至500～700℃，然后保温1～2h。

8. 根据权利要求1所述制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于活化是：先将碳化后的原丝置于质量浓度百分数为10～30%的氢氧化钾水溶液中浸泡10～30min后，取出再有去离子水洗净后干燥；然后再将原丝在惰性气体氛围中，以5～10℃/min的升温速度，从常温升至800～1000℃，然后保温45～60min。

9. 根据权利要求1或2或4所述制备磁性的活性碳纤维的方法，其特征在于在预处理前，将原丝以去离子水淋洗后干燥。