CN113083261A - 一种活性炭纤维材料的改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种活性炭纤维材料的改性方法，该方法采用聚丙烯腈基活性炭纤维为原料，采用改性试剂浸泡+热处理方法进行复合改性，通过浸泡、热处理、干燥等方法制备改性活性炭纤维布。该改性方法进一步提高了活性炭纤维对SO2等污染气体的吸附能力，最后制得性能优良的活性炭纤维布，用作口罩的插片材料，有效的提高了口罩过滤SO2、NOx等有毒有害气体的性能，并且改性条件温和、环保，改性材料成本低廉，产品能更好的改善人们的生活，满足大众的需求。

Description

一种活性炭纤维材料的改性方法
技术领域
本发明属于吸附材料领域，具体涉及一种活性炭纤维材料的改性方法。
背景技术
随着社会经济的飞速发展，居民用电和企业、重工业能耗不断增加。发电厂、重工企业等不断排放SO2等有毒有害气体，且排放量与日俱增，对人们的生活质量受到严重影响。
为此，人们日常出行时会佩戴口罩。目前市面上所售的主流口罩为防尘口罩，普通纱布口罩和医用口罩，难以吸附过滤SO2等有毒有害气体。而活性炭口罩虽然能一定程度上吸附过滤SO2，但是过滤效果差、且难以重复利用。
在室内环境中，我们会通过空调、空气净化器来净化空气。活性炭纤维作为一种新型的吸附材料，具有比表面积大、吸附量大、吸脱附速度快，可重复使用等特点，是优良的空调滤网、空气净化器滤芯材料，但是活性炭纤维材料的性能还不足以满足现有需求，吸附性能还有进一步提高的空间，因此，提出一种吸附效果更好的改性活性炭纤维材料具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种活性炭纤维材料的改性方法，具体采用以下的技术方案：
一种活性炭纤维材料的改性方法，其特征在于，所述方法包括过程一或过程二，
所述过程一具体包括以下步骤：
将活性炭纤维材料加入至改性试剂中，浸泡12-24h，烘干后置于150-250℃条件下3h，冷却后制得改性后的活性炭纤维材料；
所述过程二具体包括以下步骤：
将活性炭纤维材料置于150～250℃条件下3h，再浸泡于改性试剂中，烘干，冷却后制得改性后的活性炭纤维材料；
所述改性试剂为4％-20％的H2O2或NH3。
传统进行热处理改性ACF材料时，由于ACF材料主要原料为碳，在温度过高时，会剧烈氧化燃烧生成CO2，因此需要氮气保护下才能改性。而本发明采用浸泡+热处理复合改性的方式，使得150℃-250℃情况下，ACF材料碳不会过于剧烈的氧化，它本身有一定的耐高温性能，因此无需氮气保护便可进行改性；本发明采用复合改性方式，也避免了传统采用单独改性试剂需使用强酸强碱的缺陷。同时，浸泡改性试剂和热处理复合改性后后，增加的表面官能团并不完全相同，两者会形成叠加作用，使ACF材料吸附的兼容性增加。
此外，浸泡时间12～24h最佳，若浸泡时间较长的话，ACF材料的力学性能会显著下降，结构性会降低；过低则改性效果不佳。
优选的，所述活性炭纤维材料为聚丙烯腈基活性炭纤维布。
优选的，所述过程一或过程二之前还包括裁剪步骤，具体为：将活性炭纤维材料裁剪成2g/片。
优选的，所述烘干条件为120℃烘干4h。
优选的，所述烘干时采用烘箱。
与现有技术相比，发明的有益效果为：
1、传统方法一般使用硫酸、硝酸等强酸或者氢氧化钾、氢氧化钠等强碱改性试剂对活性炭纤维布进行改性，处理过程存在一定危险性，且处理完后容易造成环境污染等问题，本方法主要采用H2O2、CH3COOH等弱酸弱碱性性试剂，反应条件安全温和，绿色环保。
2、传统热处理方法一般采用800-1200℃、氮气保护高温热处理改性，对仪器、操作要求较高，且改性成本较高，不利于市场应用，本方法采用复合改性法，热处理温度控制在150-250℃，无需氮气保护，采用普通的烘箱即可。
附图说明
图1所示为不同情况复合改性后ACF-SO2吸附量图；
图2所示为不同浓度H2O2浸泡后ACF材料的FT-IR光谱图；
图3所示为不同浓度H2O2浸泡+热处理ACF材料后的FT-IR光谱图；
图4所示为热处理+不同浓度H2O2浸泡ACF材料后的FT-IR光谱图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种聚丙烯腈基活性炭纤维的改性方法，包括浸泡+热处理改性：将聚丙烯腈基活性炭纤维布(以下简称ACF)进行裁剪，裁剪成约2g/片。再将裁剪好的ACF分别装有300ml不同浓度(4％、6％、8％、10％、15％、20％、25％、30％)的H2O2的烧杯中完全浸泡24h。再用镊子将浸泡后的ACF放入100ml瓷坩埚中，放置在烘箱中120℃烘干4h后，再将烘箱调至200℃热处理3h，拿出冷却，制得改性ACF材料。
实施例2
一种聚丙烯腈基活性炭纤维的改性方法，包括热处理+浸泡改性：将聚丙烯腈基活性炭纤维布进行裁剪，裁剪成约2g/片。将裁剪好的ACF放入100ml瓷坩埚中，放入烘箱中200℃热处理3h后拿出来冷却。再将热处理后的ACF分别装有300ml l不同浓度(4％、6％、8％、10％、15％、20％、25％、30％)的H2O2的烧杯中浸泡24h后，放置在烘箱中120℃烘干4h后，拿出来冷却，制得改性ACF材料。
实施例3
对上述实施例1-2制得的改性ACF材料进行检测，结果如表1所示，在未进行改性处理时，ACF对SO2吸附量为4.6076mg/g。在通过不同浓度H2O2浸泡后，ACF对SO2的吸附能力有一定提升，其中10％H2O2浸泡后吸附量提升最多，达到了4.9819mg/g，相对于未改性的ACF原片提升了8.12％。之后随着H2O2浓度提高，对ACF材料的侵蚀性过大，使ACF结构不稳定，出现崩塌，导致ACF-SO2吸附量逐渐下降，当H2O2的浓度超过20％时，提升率开始降低，因此优选的H2O2浓度为4％-20％。
表1不同情况复合改性后ACF—SO2吸附量
Figure BDA0003081190690000041
在对ACF材料进行H2O2浸泡+热处理复合改性后，ACF-SO2吸附量相对单纯浸泡而言有明显提升，其中10％H2O2+200℃热处理复合改性后的ACF-SO2吸附量最大，达到了5.3022mg/g，相对于未改性的ACF原片提升了15.08％的吸附量。而热处理+H2O2浸泡复合改性效果同比来说改性效果都有显著提升，其中200℃+10％H2O2复合改性后，ACF-SO2吸附量达到了5.8116mg/g，吸附效果相对未改性原片提升了26.13％。因为热处理后，ACF纤维丝由于膨胀分解，使表面产生了更多缺陷和沟槽，导致材料比表面积增大，在浸泡H2O2时能产生更多能够吸附SO2的官能团。
图1可以明显观察到，在相同浓度H2O2改性情况下，热处理+H2O2浸泡复合改性效果最佳，其次是H2O2浸泡+热处理复合改性方法，两种复合改性法均优于单H2O2浸泡改性法。
图2为不同浓度H2O2浸泡后ACF材料的傅立叶变换红外光谱图，从图中可以看出，在3400～3450cm-1间出现明显的-OH伸缩振动吸收峰，且1630～1700cm-1之间均出现羧酸或羰基的C＝O伸缩振动吸收峰，但是随着H2O2浓度增加，吸收峰逐渐变弱，说明在H2O2浓度高于10％后，C＝O官能团开始减少。10％H2O2在1250～1335cm-1之间有明显的C-N伸缩振动吸收峰，而15％H2O2和20％H2O2都消失了，表明在H2O2浓度高于10％后，C-N开始分解或转化。
图3为不同浓度H2O2浸泡+热处理ACF材料傅立叶变换红外光谱图，从图中可以看到在3400～3450cm-1间出现明显的-OH伸缩振动吸收峰，且1630～1700cm-1之间均出现羧酸或羰基的C＝O伸缩振动吸收峰。1400～1500cm-1出现C-C振动吸收峰，表明材料的碳骨架结构相对较稳定。
图4为热处理+不同浓度H2O2浸泡ACF材料傅立叶变换红外光谱图，从图中可以看到在3400～3450cm-1间出现明显的-OH伸缩振动吸收峰，而1630～1700cm-1之间均出现非常明显的羧酸或羰基的C＝O伸缩振动吸收峰，表明热处理+H2O2浸泡后，ACF的C＝O官能团明显增加，1400～1500cm-1出现C-C振动吸收峰，表明材料的碳骨架结构相对较稳定。
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

Claims (5)

1.一种活性炭纤维材料的改性方法，其特征在于，所述方法包括过程一或过程二，
所述过程一具体包括以下步骤：
将活性炭纤维材料加入至改性试剂中，浸泡12-24h，烘干后置于150-250℃条件下3h，冷却后制得改性后的活性炭纤维材料；
所述过程二具体包括以下步骤：
将活性炭纤维材料置于150～250℃条件下3h，再浸泡于改性试剂中12-24h，烘干，冷却后制得改性后的活性炭纤维材料；
所述改性试剂为4％-20％的H2O2或NH3。
2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述活性炭纤维材料为聚丙烯腈基活性炭纤维布。
3.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述过程一或过程二之前还包括裁剪步骤，具体为：将活性炭纤维材料裁剪成2g/片。
4.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述烘干条件为120℃烘干4h。
5.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述烘干时采用烘箱。
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