一种纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料领域,具体地,涉及一种纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法。
背景技术
日本学者Kubo等人(Carbon,1998,7-8(36):1119-1124)曾以溶剂木质素为原料,采用熔融纺丝技术成功制备出木质素纤维材料,这种木质素纤维材料无需进行预氧化处理即可直接碳化得到碳纤维。但是由于受到纺丝口的孔径的限制和聚合物的粘弹性能的影响,纺丝得到的木质素纤维直径在几十微米范围,未能达到纳米尺度,并且纤维材料的脆性大,力学性能不佳。
Lallave M等人(Advanced Materials.2007,19(23):4292-4296) 将乙醇法木质素按质量比为1:1溶解于乙醇中,利用高压静电纺丝,制备出直径为400nm~2μm的木质素纤维。此木质素纤维在200℃进行稳定化处理 24h,然后在 900℃碳化,得到直径为微米及纳米尺度的碳纤维。由于该木质素-乙醇溶液黏度很大,在从喷口喷出时乙醇挥发导致浓溶液表面形成固体,加上所谓的“泰勒锥”效应,导致固化后形成的可能不是纤维,而是锥形的木质素颗粒。为了防止出现这种情况,他们采用了同轴电纺技术,即喷口中央也喷出溶剂,以补偿溶剂挥发造成的溶液固化过早和成纤性差的后果。但是这种方法所用喷丝口结构复杂,而且易发生堵塞。
敖日格勒等人在中国申请的专利号为201010104518.1的发明专利中提出了一种木质素纳米碳纤维的制备方法,将碱性木质素通过预处理,配制纺丝液,静电纺丝,预氧化,碳化等步骤制备得到纳米碳纤维,但是纳米碳纤维的脆性大,力学性能不佳。
周晓松在论文电纺法制备PAN基大比表面积活性纳米碳纤维中提出了以PAN为原料,通过静电纺丝,预氧化,碳化,活化制备PAN基活性纳米碳纤维的方法,但是其采用的原料PAN成本高且不可再生。
发明内容
为克服现有技术的缺陷,本发明提供一种活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法;该方法将纤维素溶于有机溶剂成纺丝液,进行静电纺丝,再经过碳化、活化处理,即可得到活性纳米碳纤维吸附材料。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法,包括下述的步骤:纺丝液配制、静电纺丝、纤维碳化、纤维活化。
相对于现有技术,本发明具有以下优势:本发明选择了纤维素进行静电纺丝、碳化、活化制备活性纳米碳纤维,制得的活性纳米碳纤维具有较强的韧性及强度,较大的比表面积(2500m2/g-3000m2/g),可以作为吸附材料使用。
具体实施方式
纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法,包括下述的步骤:纺丝液配制、静电纺丝、纤维碳化、纤维活化。
所述的纺丝液配制,方法如下:将10质量份纤维素加到10~80质量份有机溶剂中,搅拌使纤维素完全溶解,制得纤维素纺丝液;所述有机溶剂为乙酰丙酮、乙酸、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、吡啶中的一种或一种以上。
所述的静电纺丝,方法如下:将纤维素纺丝液装入带有针头的注射器中,由气泵推动注射器将纤维素纺丝液从针头挤出,通过气泵控制纺丝液的挤出速度;针头的相对端放置收集板。高压静电发生器的正极接针头,负极接收集板。设置气泵以5~40μL/min速率将纤维素纺丝液从针头中挤出,喷出的纺丝液射流经高压静电拉伸、固化,形成纳米纤维,以无序状排列在收集板上,从收集板上取下即得到纳米纤维。高压静电发生器的电压为10~80kV,喷丝口和纤维收集装置之间距离为5~50cm,喷丝口直径为0.1~1mm。
所述纤维碳化,方法如下:将纳米纤维放在碳化炉中通入保护气,由室温开始升温,以1~20℃/min的升温速率,升温至1000~1600℃,保温1~3h,冷却后取出即可得到纳米碳纤维;所述保护气为氮气、氩气或氦气。
所述的纤维活化,方法如下:将得到的纳米碳纤维放在碳化炉中通入水蒸汽,水蒸气流量1~5g/min。以1~20℃/min的升温速率升温至活化温度1000~1600℃,活化时间1~3h,冷却后取出得到活性纳米碳纤维吸附材料,比表面积为2500m2/g-3000 m2/g。
纤维碳化及活化可以通过以下方法一步完成:将纳米纤维放在碳化炉中通入保护气,由室温开始升温,以1~20℃/min的升温速率,升温至1000~1600℃,保温1~3h,所述保护气为氮气、氩气或氦气。然后通入水蒸气,水蒸气流量1~5g/min。在1000~1600℃下活化1~3h,冷却后取出得到活性纳米碳纤维吸附材料。
所述的纤维素通过植物根、茎、叶部分和植物生活垃圾废弃料中的一种或几种分离得到。其中植物根茎叶部分如阔叶木,松木,速生杨,竹,麦草,芦苇,玉米杆,蔗渣,棉杆,农作物秸秆等;所采用的分离手段为有机溶剂法蒸煮。上述分离得到的纤维素可以从市场上购得,也可以自行按照已经公开的文献(如,发明专利CN101092435B生物质有机组分的分离工艺方法)制备。
实施例一
纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法,包括下述的步骤:纺丝液配制、静电纺丝、纤维碳化、纤维活化。
所述的纺丝液配制,方法如下:将8g竹纤维素加到25mL乙酰丙酮中,搅拌使竹纤维素完全溶解,制得纤维素纺丝液;
所述的静电纺丝,方法如下:将纤维素纺丝液装入带有针头的注射器中,由气泵推动注射器将纤维素纺丝液从针头挤出,通过气泵控制纺丝液的挤出速度;针头的相对端放置收集板。高压静电发生器的正极接针头,负极接收集板。设置气泵以5μL/min速率将纤维素纺丝液从针头中挤出,喷出的纺丝液射流经高压静电拉伸、固化,形成纳米纤维,以无序状排列在收集板上,形成类似无纺布状的纳米纤维。高压静电发生器的电压为10kV,喷丝口和纤维收集装置之间距离为5cm,喷丝口直径为0.1mm。
所述纤维碳化,方法如下:将所得的纳米纤维置于碳化炉中,充入氮气,密封,以1℃/min 的升温速率将碳化炉升温至1000℃,保温1h,冷却后取出即可得到纳米碳纤维。
所述的纤维活化,方法如下:将得到的纳米碳纤维放在碳化炉中通入水蒸气,水蒸气流量为1g/min,以1℃/min 的升温速率将碳化炉升温至1000℃,在1000℃温度下活化1h,冷却后取出得到活性纳米碳纤维吸附材料,比表面积为2500 m2/g。
实施例二
纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法,包括下述的步骤:纺丝液配制、静电纺丝、纤维碳化、纤维活化。
所述的纺丝液配制方法如下:5g松木纤维素加到40mL N、N-二甲基甲酰胺中,搅拌使其完全溶解,制得纤维素纺丝液;
所述的静电纺丝方法如下:将纤维素纺丝液装入带有针头的注射器中,由气泵推动注射器将纤维素纺丝液从针头挤出,通过气泵控制纺丝液的挤出速度;针头的相对端放置收集板。高压静电发生器的正极接针头,负极接收集板。设置气泵以15μL/min速率将纤维素纺丝液从针头中挤出,喷出的纺丝液射流经高压静电拉伸、固化,形成纳米纤维,以无序状排列在收集板上,形成类似无纺布状的纳米纤维。高压静电发生器的电压为20kV,喷丝口和纤维收集装置之间距离为10cm,喷丝口直径为0.3mm。
所述纤维碳化方法如下:将得到的纳米纤维置于碳化炉中,通入氩气,密封,以10℃/min的升温速率升温至1200℃,保温 2h,冷却后取出即可得到纳米碳纤维。
所述的纤维活化方法如下:将得到的纳米碳纤维放在碳化炉中通入水蒸气,流量5g/min,以10℃/min 的升温速率将碳化炉升温至1200℃,在1200℃温度下活化1.5h,冷却后取出得到活性纳米碳纤维吸附材料,比表面积为2700 m2/g。。
实施例三
纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法,包括下述的步骤:纺丝液配制、静电纺丝、纤维碳化、纤维活化。
所述的纺丝液配制方法如下:玉米杆纤维素3g加到60mL乙酸中,搅拌使其完全溶解,制得纤维素纺丝液;
所述的静电纺丝方法如下:将纤维素纺丝液装入带有针头的注射器中,由气泵推动注射器将纤维素纺丝液从针头挤出,通过气泵控制纺丝液的挤出速度;针头的相对端放置收集板。高压静电发生器的正极接针头,负极接收集板。设置气泵以20μL/min速率将纤维素纺丝液从针头中挤出,喷出的纺丝液射流经高压静电拉伸、固化,形成纳米纤维,以无序状排列在收集板上,形成类似无纺布状的纳米纤维。高压静电发生器的电压为40kV,喷丝口和纤维收集装置之间距离为30cm,喷丝口直径为0.6mm。
所述纤维碳化及活化方法如下:将得到的纳米纤维置于碳化炉中,向碳化炉中通入氮气,密封, 以20℃/min的升温速率将碳化炉升温至1400℃,保温1h,向碳化炉中通入水蒸气,流量2.5g/min,在1400℃温度下活化3h,冷却后取出得到活性纳米碳纤维吸附材料,比表面积为2900m2/g。。
实施例四
纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法,包括下述的步骤:纺丝液配制、静电纺丝、纤维碳化、纤维活化。
所述的纺丝液配制方法如下:5g速生杨纤维素加到80mL四氢呋喃中,搅拌使其完全溶解,制得纤维素纺丝液;
所述的静电纺丝方法如下:将纤维素纺丝液装入带有针头的注射器中,由气泵推动注射器将纤维素纺丝液从针头挤出,通过气泵控制纺丝液的挤出速度;针头的相对端放置收集板。高压静电发生器的正极接针头,负极接收集板。设置气泵以30μL/min速率将纤维素纺丝液从针头中挤出,喷出的纺丝液射流经高压静电拉伸、固化,形成纳米纤维,以无序状排列在收集板上,形成类似无纺布状的纳米纤维。高压静电发生器的电压为60kV,喷丝口和纤维收集装置之间距离为30cm,喷丝口直径为0.8mm。
所述纤维碳化方法如下:将得到的纳米纤维置于碳化炉中,向碳化炉中通入氮气,密封,以15℃/min的升温速率将碳化炉升温至1500℃,保温2h。向碳化炉中通入水蒸气,流量4g/min,在1500℃温度下活化2.5h,冷却后取出得到活性纳米碳纤维吸附材料,比表面积为3000m2/g。。
实施例五
纤维素活性纳米碳纤维吸附材料的制备方法,包括下述的步骤:纺丝液配制、静电纺丝、纤维碳化、纤维活化。
所述的纺丝液配制方法如下:5g芦苇纤维素加到100mL吡啶中,搅拌使其完全溶解,制得纤维素纺丝液;
所述的静电纺丝方法如下:将纤维素纺丝液装入带有针头的注射器中,由气泵推动注射器将纤维素纺丝液从针头挤出,通过气泵控制纺丝液的挤出速度;针头的相对端放置收集板。高压静电发生器的正极接针头,负极接收集板。设置气泵以40μL/min速率将纤维素纺丝液从针头中挤出,喷出的纺丝液射流经高压静电拉伸、固化,形成纳米纤维,以无序状排列在收集板上,形成类似无纺布状的纳米纤维。高压静电发生器的电压为80kV,喷丝口和纤维收集装置之间距离为50cm,喷丝口直径为1mm。
所述纤维碳化方法如下:将得到的纳米纤维置于碳化炉中,向碳化炉中通入氩气,密封,以15℃/min的升温速率将碳化炉升温至1600℃,保温1.5h,冷却后取出即可得到纳米碳纤维。
所述纤维活化方法如下:将得到的纳米碳纤维放在碳化炉中通入水蒸气,流量2g/min,以15℃/min的升温速率将碳化炉升温至1600℃,在1600℃温度下活化3h,冷却后取出得到活性纳米碳纤维吸附材料,比表面积为2800m2/g。