CN112794302A - 一种球形碳材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种球形碳材料及其制备方法，将生物质材料和表面活性剂在球形树脂中发生原位聚合反应得到。制备上述球形碳材料的方法反应条件温和、制备过程简单，且具有一定的普适性。
Description
技术领域
本申请涉及材料技术领域，具体地涉及一种球形碳材料及其制备方法。
背景技术
球形碳材料具有丰富的孔隙结构和较高的比表面积，与传统活性炭材料相比具有高流动性，对气体和液体的流体阻力小；强度高，使用过程中不掉屑；小颗粒球形碳材料具有高填充性。可将球形碳材料用作催化剂载体，应用前景优良。
球形碳材料的合成方法主要有化学气相沉积法、模板法、溶剂热法、超声法、电弧发电法和热解金属有机化合物法，这些方法合成球形碳材料都存在一定的不足，例如反应条件苛刻，过程复杂，所得球形碳表面粗糙等。因此发展温和、简单的方法制备球形碳，以改良传统制备方法的不足之处，具有重要的应用价值和应用前景。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种球形碳材料的制备方法，该方法使用可再生的生物质材料在球形树脂孔内发生原位聚合反应，反应条件温和，过程简单。
本申请提供了一种球形碳材料，在表面活性剂存在的条件下，将生物质材料在球形树脂中发生原位聚合反应得到。
可选地，生物质材料在球形树脂的孔内发生原位聚合反应。
可选地，所述球形树脂包括聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯球形树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂、聚酰胺改性酚醛树脂、聚苯乙烯和二乙烯苯交联树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种。
可选地，所述生物质材料包括葡萄糖、果糖、蔗糖、山梨糖、5-羟甲基糠醛中的一种或几种。
可选地，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基甜菜碱、十二烷基葡萄糖苷、环氧丙烷与环氧乙烷的共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物中的一种或几种。
本申请还提供了一种制备上述球形碳材料的制备方法，所述方法至少包括：将含有生物质材料和球形树脂的混合物，在面活性剂存在的条件下，经过水热处理，发生原位聚合反应，之后煅烧，即可得到球形碳材料。
可选地，所述水热处理的条件为：反应温度为100～200℃；反应时间为5～48h。
优选地，所述水热处理的条件为：反应温度为120～180℃；反应时间为12～24h。
可选地，所述生物质材料、表面活性剂和球形树脂的质量比为0.1～0.5：0.02～0.2：1～10。
优选地，所述生物质材料、表面活性剂和球形树脂的质量比为0.1～0.4：0.03～0.1：1～5。
可选地，将含有生物质材料的溶液与球形树脂分散液进行混合，即可得到所述混合物。
具体地，本申请中所述表面活性剂的作用是增加球形树脂表面的孔道，便于生物质材料在球形树脂的孔内发生原位催化脱水聚合反应。
可选地，进行原位聚合反应步骤后，还包括干燥、离心、真空干燥步骤。
可选地，上述干燥的时间为6～48h；干燥温度为100～200℃。
可选地，所述生物质材料在所述溶液中的质量浓度为0.1～10wt％；所述球形树脂分散液中的固含量为0.05～50％；所述固含量为球形树脂的质量百分含量。
可选地，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、二甲基亚砜中的一种或几种。
可选地，所述混合物的PH为1～14。
优选地，所述混合物的PH为5～12。
调节所述混合物的PH的物质为硫酸、磷酸、盐酸、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种或几种。
可选地，所述煅烧的反应条件为：反应温度为200～500℃；反应时间为1～5h。
可选地，所述原位聚合反应在水热反应釜中进行。
可选地，调节所述混合物的PH后还需要搅拌。
可选地，所述搅拌为磁力搅拌；搅拌时间为0.5～1h。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本发明提出了一种温和条件下通过简单过程制备球形碳材料的新路线，并具有一定普适性；
2)本发明使用可再生生物质资源作为碳源，与传统方法相比更加环保。
附图说明
图1为实例1产物的外观形貌图；
图2为实例1产物的红外谱图；
图3为实例2产物的外观形貌图；
图4为实例2产物的红外谱图；
图5为实例3产物的外观形貌图；
图6为实例3产物的红外谱图；
图7为实例4产物的外观形貌图；
图8为实例4产物的红外谱图；
图9为实例5产物的外观形貌图；
图10为实例5产物的红外谱图；
图11为实例6产物的外观形貌图；
图12为实例6产物的红外谱图；
图13为实例7产物的外观形貌图；
图14为实例7产物的红外谱图；
图15为实例8产物的外观形貌图；
图16为实例8产物的红外谱图；
图17为实例9产物的外观形貌图；
图18为实例9产物的红外谱图；
图19为实例10产物的外观形貌图；
图20为实例10产物的红外谱图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
本申请中的红外谱图采用Bruker Tensor 27仪器。
实施例1
在室温下将1g聚氯乙烯树脂加入到装有5mL水的圆底烧瓶中，随后加入20g质量浓度为0.5wt％的葡萄糖水溶液及0.05g十二烷基苯磺酸钠，使用碳酸钠将反应体系pH值调至10，磁力充分搅拌0.5h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，150℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为400℃，煅烧时间为2h，得到的产物标记为1#。
实施例2
在室温下将1g聚苯乙烯树脂加入到装有5mL水的圆底烧瓶中，随后加入20g质量浓度为0.5wt％的果糖水溶液及0.05g十二烷基苯磺酸钠，使用碳酸钠将反应体系pH值调至10，磁力充分搅拌0.5h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，150℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为400℃，煅烧时间为2h，得到的产物标记为2#。
实施例3
在室温下将2g三聚氰胺改性酚醛树脂加入到装有10mL水的圆底烧瓶中，随后加入10g质量浓度为1.0wt％的蔗糖水溶液及0.03g十二烷基三甲基溴化铵，使用碳酸钠将反应体系pH值调至10，磁力充分搅拌1h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，120℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为450℃，煅烧时间为2h，得到的产物标记为3#。
实施例4
在室温下将2g聚酰胺改性酚醛树脂加入到装有10mL水的圆底烧瓶中，随后加入10g质量浓度为1.0wt％的山梨糖水溶液及0.03g十二烷基葡萄糖苷，使用碳酸钠将反应体系pH值调至10，磁力充分搅拌1h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，120℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为450℃，煅烧时间为2h，得到的产物标记为4#。
实施例5
将1g聚苯乙烯和二乙烯苯交联树脂加入到装有10mL水的圆底烧瓶中，随后加入20g质量浓度为2.0wt％的5-羟甲基糠醛水溶液及0.1g环氧丙烷与环氧乙烷的共聚物，使用碳酸钠将反应体系pH值调至12，磁力充分搅拌1h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，120℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为400℃，煅烧时间为3h，得到的产物标记为5#。
实施例6
在室温下将1g聚乙烯树脂加入到装有10mL水的圆底烧瓶中，随后加入20g质量浓度为1.0wt％的果糖水溶液及0.03g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，使用碳酸钠将反应体系pH值调至12，磁力充分搅拌0.5h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，150℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为450℃，煅烧时间为3h，得到的产物标记为6#。
实施例7
在室温下将1g聚乙烯树脂加入到装有10mL水的圆底烧瓶中，随后加入20g质量浓度为1.0wt％的果糖水溶液及0.03g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，使用碳酸钠将反应体系pH值调至12，磁力充分搅拌0.5h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，180℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为400℃，煅烧时间为2h，得到的产物标记为7#。
实施例8
在室温下将1g聚丙烯树脂加入到装有10mL水的圆底烧瓶中，随后加入20g质量浓度为1.0wt％的葡萄糖水溶液及0.03g十二烷基苯磺酸钠，使用碳酸钠将反应体系pH值调至12，磁力充分搅拌0.5h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，180℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为400℃，煅烧时间为2h，得到的产物标记为8#。
实施例9
在室温下将1g聚苯乙烯球形树脂加入到装有10mL水的圆底烧瓶中，随后加入20g质量浓度为1.0wt％的葡萄糖水溶液及0.03g十二烷基苯磺酸钠，使用磷酸二氢钠将反应体系pH值调至5，磁力充分搅拌0.5h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，180℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为450℃，煅烧时间为2h，得到的产物标记为9#。
实施例10
在室温下将0.5g聚苯乙烯球形树脂加入到装有10mL水的圆底烧瓶中，随后加入20g质量浓度为1.0wt％的蔗糖水溶液及0.03g十二烷基苯磺酸钠，使用碳酸氢钠将反应体系pH值调至9，磁力充分搅拌0.5h后，将混合液转移至不锈钢水热反应釜中，在电热鼓风烘箱中，180℃恒温保持12h，得到的产物经离心、水洗、在90℃下真空干燥处理，收集固体产物，然后放管式炉中进行煅烧，温度为450℃，煅烧时间为2h，得到的产物标记为10#。
实施例11：外观形貌分析
将实施例1至实施例10中的样品1#～10#进行外观形貌分析，得到如图1、3、5、7、9、11、13、15、17、19所示结果，由图可以看出，所得样品为黑色球形碳材料。
实施例12：红外谱图分析
将实施例1至实施例10中的样品1#～10#进行红外谱图分析，得到如图2、4、6、8、10、12、14、16、18、20所示结果，由图可以看出，3400cm-1处的吸收峰，对应游离的O-H基；2926cm-1处的峰对应饱和C-H键；1730cm-1处的峰对应C＝O键；1630cm-1处的峰对应C＝C键；1450cm-1处的峰对应CH3的对称弯曲振动。通过红外分析，可以判定该材料中含有一定量的氧，存在饱和碳和不饱和碳结构。(样品1#～10#都具有以上特征峰)
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种球形碳材料，其特征在于，在表面活性剂存在的条件下，将生物质材料在球形树脂中发生原位聚合反应得到。
2.根据权利要求1所述的球形碳材料，其特征在于，所述球形树脂包括聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯球形树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂、聚酰胺改性酚醛树脂、聚苯乙烯和二乙烯苯交联树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的球形碳材料，其特征在于，所述生物质材料包括葡萄糖、果糖、蔗糖、山梨糖、5-羟甲基糠醛中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的球形碳材料，其特征在于，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基甜菜碱、十二烷基葡萄糖苷、环氧丙烷与环氧乙烷的共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物中的一种或几种。
5.权利要求1至4任一项所述的球形碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括：将含有生物质材料和球形树脂的混合物，在面活性剂存在的条件下，经过水热处理，发生原位聚合反应，之后煅烧，即可得到球形碳材料。
6.根据权利要求5所述的球形碳材料的制备方法，其特征在于，
所述水热处理的条件为：
反应温度为100～200℃；反应时间为5～48h。
7.根据权利要求5所述的球形碳材料的制备方法，其特征在于，所述生物质材料、表面活性剂和球形树脂的质量比为0.1～0.5：0.02～0.2：1～10。
8.根据权利要求5所述的球形碳材料的制备方法，其特征在于，
将含有生物质材料的溶液与球形树脂分散液进行混合，即可得到所述混合物。
9.根据权利要求8所述的球形碳材料的制备方法，其特征在于，
所述生物质材料在所述溶液中的质量浓度为0.1～10wt％；
所述球形树脂分散液中的固含量为0.5～50％；
所述固含量为球形树脂的质量百分含量。
10.根据权利要求5所述的球形碳材料的制备方法，其特征在于，
所述混合物的PH为1～14；
调节所述混合物的PH的物质为硫酸、磷酸、盐酸、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种或几种。
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