CN103215691A - 一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法 - Google Patents
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本发明涉及一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法。它是将未经任何处理的棉花直接置于管式炉中，在惰性气体保护下，程序升温至400～1800℃高温下碳化0.5～5小时，反应结束后在惰性气体保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。其基本特征是：中空结构，纤维长度大约是1～5cm，孔径大约是3～6μm，具有超疏水亲油性和高吸附能力。本发明操作方便，设备简单，选用天然可再生资源为原料，制备成本低廉，适合大规模工业化生产，制得的中空结构碳纤维可作为高效吸附剂应用于原油泄漏、污水处理及空气净化等领域。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维，具体涉及一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法。
背景技术
碳纤维具有强度高、密度低、热稳定性好(惰性氛围稳定至2000℃，空气中400℃缓慢氧化)、化学惰性强(耐酸耐碱)、导电率高等特点，是一种具有独特力学、热学和电学性能的新型材料。目前，它已经在能源、环保及航天等领域取得了广泛应用。近年来，环境污染问题日益引起人们的重视。海上原油泄漏事故造成生态***的严重破坏，石油化工和工业生产废水的任意排放对淡水资源造成污染，还有室内挥发性有机化合物(VOCs)，比如甲醛，对人身体健康的危害。碳纤维可以作为高效的吸附剂在环境净化上发挥举足轻重的作用。
碳纤维的原料可以分化学合成纤维和天然纤维。目前，市场上的碳纤维产品主要是以粘胶基、聚丙烯腈(PAN)基和沥青基三大化工原料体系为主。中国专利CN102051711A和CN 102704042A分别公开了PAN基和沥青基碳纤维的制备方法。制备过程主要包括原丝的纺制和碳化。前者直接影响碳纤维的结构及性能，比较常见的方法是高压静电纺丝，如中国专利CN 102560889A。后者主要包括预氧化、低温碳化和高温碳化等步骤。可见，产品的制备过程冗长而复杂，成本高昂，极大地限制了碳纤维的实际应用。虽然PAN基碳纤维具有技术成熟，产量大的特点，但是其生产成本较高，技术难度大，对设备要求高，并且排放剧毒氰化物气体，严重危害环境。同样，沥青基碳纤维不仅技术路线复杂，而且受到石油资源的限制。可见，寻找合适的天然可再生资源来代替化工原料将是生产碳纤维的发展趋势。
天然植物基碳纤维的制备主要采用麻类纤维和竹类纤维。中国专利CN 101121512A，CN102041585A和CN102677228A分别公开了使用丝瓜、柞蚕丝和竹子作为原料制备碳纤维的方法。最近，中国专利CN102131969A公开了利用天然甘油为原料，通过化学合成方法制备出PAN纤维，通过高温碳化制得碳纤维。但是，目前天然植物基碳纤维尚未形成工业化规模，其可能原因是天然原丝的质量较低，工艺路线复杂，生产成本较高。
中空碳纤维以其独特的结构，在环境净化方面已经展现出更优异的性能。与传统的实心结构碳纤维相比，中空结构碳纤维具有更高的比表面积和更低的密度，特别适合吸附浮于海面的原油。与纳米碳管相比，大孔径的碳纤维(微米级)可以更快地吸附原油，通过挤压方式更加容易回收原油。目前，中空结构碳纤维主要使用化学品原料制得，如中国专利CN 1746346A，CN 101768791A和CN 101805943A。工业生产中产生的有毒废气与有害废水对环境造成严重危害。因此，开发一套经济实用、安全环保的中空结构碳纤维的制备技术对于实现我国经济可持续发展具有重要战略意义。
棉花是一种纤维状的天然有机物，其主要化学成分是纤维素(C6H10O5)n，表面含有少量蜡状物质。正常成熟干燥后的棉纤维会蜷缩成空心带状结构，其横截面呈扁圆或腰圆形，中间有空腔。因此，棉花特别适合用于制备中空结构的碳纤维。我国棉花资源丰富，价格相对便宜。统计数据显示我国2011年棉花年产量约700万吨，占世界棉花总量约30％，位居世界第一。将棉花作为原料制备中空结构碳纤维具有广阔的市场前景，尤其是原油泄漏、污水处理及空气净化等领域。
本发明公开了一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法，所制得的材料具有超疏水亲油性和较高吸附能力。
发明内容
本发明针对上述现有技术所存在的不足之处，旨在提供一种操作方便，设备简单，制备成本低廉，适合大规模工业化制备中空结构碳纤维的方法。
本发明主要是采用天然可再生资源棉花作为原料，在惰性气体保护下，高温碳化处理制得碳纤维。该方法制出的碳纤维基本特征是：中空结构，纤维长度大约是1～5cm，孔径大约是3～6μm，具有超疏水亲油性和较高吸附能力。
具体制备方法如下：
将未经任何处理的棉花原料直接放置于管式炉中，在惰性气体保护下，气体流速是1～50mL/分钟，采用升温速率1～10℃/分钟，在400～1800℃高温下碳化0.5～5小时。反应结束后在惰性气体保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。
所述的惰性气体为下述惰性气体中的一种或者几种：氮气、氦气或氩气。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本制备方法操作方便，设备简单，制备成本低廉，适合大规模工业化生产。
(2)本制备方法采用天然可再生资源棉花为原料，无需涉及任何有毒、有害的化工原料，具有经济、安全和环保等特点。
(3)本制备方法制得的碳纤维是中空结构，具有超疏水亲油性和较高吸附能力。可作为优良的吸附剂用于原油泄漏、污水处理及空气净化等领域。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的中空结构碳纤维的场发射扫描电镜图(放大倍数×90，×2000)。
图2是本发明实施例1制得的中空结构碳纤维的接触角测试结果图(左图：水滴，右图：油滴)。
图3是本发明实施例1，2，3，4制得的中空结构碳纤维的XRD谱图。
图4是本发明实施例1，2，3，4制得的中空结构碳纤维对花生油、乙二醇、甲苯、乙醇、叔丁醇、甘油的吸附性能图。
图5是本发明实施例2制得的中空结构碳纤维的场发射扫描电镜图(放大倍数×90，×2000)。
图6是本发明实施例2制得的中空结构碳纤维的场发射扫描电镜图(放大倍数×9000)。
图7是本发明实施例3制得的中空结构碳纤维的场发射扫描电镜图(放大倍数×90，×2000)。
图8是本发明实施例3制得的中空结构碳纤维的场发射扫描电镜图(放大倍数×5000)。
图9是本发明实施例4制得的中空结构碳纤维的场发射扫描电镜图(放大倍数×90，×2000)。
图10是本发明实施例4制得的中空结构碳纤维的场发射扫描电镜图(放大倍数×5000)。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明的内容作进一步的说明，但并非为任何形式的限制。
实施例1
将未经任何处理的棉花原料直接放置于管式炉中，在氮气保护下，气体流速是1mL/分钟，采用升温速率2℃/分钟，在400℃高温下碳化1小时。反应结束后在氮气保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。由图1可以看出，棉花经过400℃碳化处理后制得的碳纤维结构完整，纤维长度大约是1～5cm。由图2可以看出，水滴在碳纤维表面形成的接触角＞150°，而油滴在其表面完全被吸收。因此，制得的碳纤维具有超疏水亲油性。由图3可以看出，400℃下所制得的纤维材料(CCFs-400)主要是由非定型碳及石墨晶粒组成。由图4可以看出，制得的碳纤维对花生油、乙二醇、甲苯、乙醇、叔丁醇、甘油的吸附能力分别为：57.1±1.6g/g，67.4±4.2g/g，37.1±1.0g/g，41.7±2.0g/g，32.7±0.4g/g，101.0±2.3g/g，远远优于原料棉花。
实施例2
将未经任何处理的棉花原料直接放置于管式炉中，在氮气保护下，气体流速是1mL/分钟，采用升温速率2℃/分钟，在600℃高温下碳化1小时。反应结束后在氮气保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。由图5可以看出，棉花经过600℃碳化处理后制得的碳纤维仍结构完整。由图6可以看出，碳纤维具有中空结构，孔径大约是4.6μm。这种新颖结构可以大大提高碳纤维的吸附性能，而且方便将所吸附的物质从微孔中回收。由图3可以看出，600℃下所制得的纤维材料(CCFs-600)主要是由非定型碳及石墨晶粒组成。由图4可以看出，制得的碳纤维对花生油、乙二醇、甲苯、乙醇、叔丁醇、甘油的吸附能力分别为：44.7±2.4g/g，53.5±0.8g/g，31.7±1.5g/g，35.4±1.4g/g，29.8±0.7g/g，97.1±1.5g/g，远远优于原料棉花，但略微逊于400℃下所制得的碳纤维材料。
实施例3
将未经任何处理的棉花原料直接放置于管式炉中，在氮气保护下，气体流速是2mL/分钟，采用升温速率2℃/分钟，在800℃高温下碳化1小时。反应结束后在氮气保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。由图7可以看出，棉花经过800℃碳化处理后制得的碳纤维仍结构完整。由图8可以看出，碳纤维具有中空结构，孔径大约是3.8μm。由图3可以看出，800℃下所制得的纤维材料(CCFs-800)主要是由非定型碳及石墨晶粒组成，在2θ＝44.36°处的峰清晰可见，说明石墨的含量在增加。由图4可以看出，制得的碳纤维对花生油、乙二醇、甲苯、乙醇、叔丁醇、甘油的吸附能力分别为：42.9±1.8g/g，46.1±0.9g/g，28.1±1.0g/g，27.3±0.6g/g，30.5±0.6g/g，94.7±2.4g/g，远远优于原料棉花，但略微逊于400℃和600℃下所制得的碳纤维材料。
实施例4
将未经任何处理的棉花原料直接放置于管式炉中，在氮气保护下，气体流速是5mL/分钟，采用升温速率2℃/分钟，在1000℃高温下碳化1小时。反应结束后在氮气保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。由图9可以看出，棉花经过1000℃碳化处理后制得的碳纤维仍结构完整。由图10可以看出，碳纤维具有中空结构，孔径大约是5.7μm。由图3可以看出，1000℃下所制得的纤维材料(CCFs-1000)主要是由非定型碳及石墨晶粒组成，在2θ＝44.36°处的峰清晰可见，并且峰强有所增加，说明石墨的含量是随温度升高而增加。由图4可以看出，制得的碳纤维对花生油、乙二醇、甲苯、乙醇、叔丁醇、甘油的吸附能力分别为：44.3±0.8g/g，42.0±0.8g/g，28.9±0.4g/g，26.4±0.4g/g，30.4±0.6g/g，88.6±1.2g/g，远远优于原料棉花，但略微逊于400℃、600℃和800℃下所制得的碳纤维材料。
实施例5
将未经任何处理的棉花原料直接放置于管式炉中，在氩气保护下，气体流速是5mL/分钟，采用升温速率3℃/分钟，在1200℃高温下碳化2小时。反应结束后在氩气保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。
实施例6
将未经任何处理的棉花原料直接放置于管式炉中，在氦气保护下，气体流速是2mL/分钟，采用升温速率5℃/分钟，在1600℃高温下碳化0.5小时。反应结束后在氦气保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。
Claims (7)
1.一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法，其特征在于：以棉花为原料，将原料直接放置于管式炉中，在惰性气体保护下，气体流速是1～50mL/分钟，采用升温速率1～10℃/分钟，在400～1800℃高温下碳化0.5～5小时。反应结束后在惰性气体保护下冷却至室温，即可制得中空结构碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法，其特征在于，所述的原料是棉花。
3.根据权利要求1所述的一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法，其特征在于，所述的惰性气体为下述惰性气体中的一种或者几种：氮气、氦气或氩气。
4.根据权利要求1所述的一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法，其特征在于，所述的气体流速是1～50mL/分钟。
5.根据权利要求1所述的一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法，其特征在于，所述的升温速率是1～10℃/分钟。
6.根据权利要求1所述的一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法，其特征在于，所述的碳化温度是400～1800℃。
7.根据权利要求1所述的一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法，其特征在于，所述的碳化时间是1～5小时。
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