CN113816373A - 一种粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳材料领域，涉及一种粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法。采用生物质材料替代苯酚制备粒径可控的生物质改性酚醛树脂微球，然后对改性后的酚醛树脂微球进行炭化与活化处理，得到粒径可控的生物质改性酚醛树脂碳球。本发明方法可以根据应用需求控制生物质改性酚醛树脂碳球的粒径范围，且孔隙发达，具有很大的比表面积，产生的污染相对比较低，与此同时，粒径可控的生物质改性酚醛树脂碳球应用广泛，与传统的酚醛树脂碳材料相比，原料绿色环保，成本低廉，性能稳定，优势明显。
Description
技术领域
本发明属于碳材料领域，具体涉及一种粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法。
背景技术
碳材料的制造方法主要有炭化法、碳沉积法、活化法。影响碳材料制备工艺及最终产品性能的主要因素是制备原料和工艺条件。制备碳分子筛的原料主要有三类：(1)有机高分子聚合物，如萨冉树脂、酚醛树脂等；(2)各种煤，如烟煤、褐煤等；(3)植物类,如核桃壳、椰子壳等。煤基碳分子筛的灰分含量较高，并且由于变质程度的不同其性质差别很大。生物质基碳分子筛炭化得到的孔径较大主要集中在0.72nm且孔径不好调控。考虑到有机高分子聚合物具有确定的大分子结构，杂质含量极低，酚醛树脂有机高分子聚合物是目前制备碳材料的主要原料，但是制备酚醛树脂的原料苯酚和甲醛成本过高，且原料对环境也不友好。
发明内容
为了克服目前酚醛树脂碳材料成本高，污染环境的问题，本发明提供一种粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，利用木质素替代苯酚与甲醛进行反应制备木质素改性酚醛树脂微球，通过改变木质素添加量可以制备出不同粒径范围的改性酚醛树脂微球，并作为制备碳球的原料。采用炭化活化法制备改性酚醛树脂碳球，制备得到的碳球粒径可控，碳含量高，比表面积大，性能稳定，应用广泛。
为实现上述目的，所采用的技术方案为：一种粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：以苯酚、甲醛和生物质为原料，无机碱作为催化剂，制备生物质改性酚醛树脂微球，再依次经碳化和活化后，得生物质改性酚醛树脂碳球。
具体的，包括如下步骤：
步骤A、配有机械搅拌、冷凝管和温度检测装置的反应釜中加入苯酚、甲醛和生物质，无机碱作为催化剂，搅拌加热到85～90℃进行反应6～8小时，然后再加入固化剂，升温至95～100℃继续搅拌2～4小时，过滤分离出改性酚醛树脂微球，然后洗涤，烘干，得生物质改性酚醛树脂微球。
步骤B、将步骤A制备到的生物质改性酚醛树脂微球放入通有氮气的管式炉中进行炭化。
步骤C、将步骤B炭化后的微球继续放入同时通有氮气和水蒸气的管式炉中进行活化。
所述的生物质为酶解木质素、碱木质素、木质素磺酸钠、草本碱木素或麦草碱木质素中的任意一种。
所述的生物质替代量的范围为10％～50％，生物质替代量为生物质用量与苯酚用量的比值的百分数。
所述无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙和氨水中的任意一种或多种。
所述的固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、六次甲基四胺和间苯二胺中的任意一种或多种。
所述的炭化温度为800～900℃，例如850℃。
所述的炭化时间为30～90min，例如60min。
所述的活化温度为800～900℃，例如850℃。
所述的活化时间为30～90min，例如60min。
与现有技术相比，本申请取得了如下技术优势：
1、可以得到组分纯净的热解炭，从而可以获得质量和性能稳定的碳球。
2、生物质高分子作为可再生资源，产量丰富，价格便宜，具有可降解性、可再生性、低挥发性和对环境不污染，绿色环保。
3、反应条件相对温和，操作简便，无其它废水排放，属于环境友好工艺路线。
4、制备得到的碳球粒径可控，孔隙发达，有较大的比表面积同时具有较好的机械强度。粒径可控的生物质改性酚醛树脂碳球应用广泛，大粒径的碳球可以用来当作吸附材料，小粒径的碳球可以制备电极材料，应用于电化学领域。具体的，100～300微米的生物质改性碳球可以用作活性碳材料，具有很好的吸附作用，经过850℃炭化活化后的碳球的碘吸附值达到了1800mg/g。50～100微米的生物质改性碳球可以在电化学领域方面应用，采用50～100微米的生物质改性碳球制作的超级电容器具有良好的电化学性能，其比电容值达到了183F/g。
附图说明
图1为本发明实施例中不同木质素替代量下的扫描电镜(图中a对应10％、图中b对应20％、图中c对应30％、图中d对应40％、图中e对应50％)。
具体实施方式
本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，具体步骤如下：
配有机械搅拌、冷凝管和温度计装置的四口烧瓶中加入苯酚、甲醛和生物质，无机碱作为催化剂，搅拌加热到85～90℃进行反应6～8小时，然后再加入固化剂，升温至95～100℃继续搅拌2～4小时，过滤分离出改性酚醛树脂微球，然后洗涤三次，120℃烘干，得生物质改性酚醛树脂微球。将制备得到的生物质改性酚醛树脂微球放入通有氮气的管式炉中在一定的炭化温度和炭化时间下进行炭化。将炭化后的微球继续放入同时通有氮气和水蒸气的管式炉中在一定的活化温度和活化时间下进行活化。
下面结合实施例对本发明的方法做进一步说明，并不是本发明的限定。
实施例1：
在1000ml的四口烧瓶中加入500ml去离子水，加热到80℃，再加入21.195g苯酚，22.57g甲醛和2.355g木质素(替代量10％)，加入2.0wt％氢氧化钠作为催化剂，加热至85℃进行缩合反应，在300r/min搅拌速度下缩合反应6小时。保持搅拌速度不变，加入4.0wt％乙二胺，并且升温至95℃，最后在300r/min的搅拌速度和此温度下反应2小时，反应终止。待反应温度降低到常温后卸料，用去离子水反复洗涤，直至上层溶液清澈，然后过滤，在120℃下干燥4小时，即可得到木质素改性酚醛树脂微球。对微球进行粒度分析，发现改性微球粒径主要集中在200～300微米。
实施例2：
在实施例1的基础上改变木质素的替代量为20％。利用粒度分析仪，发现改性微球粒径主要集中在150～250微米。
实施例3：
在实施例1的基础上改变木质素的替代量为30％。利用粒度分析仪，发现改性微球粒径主要集中在150～200微米。
实施例4：
在实施例1的基础上改变木质素的替代量为40％。利用粒度分析仪，发现改性微球粒径主要集中在100～150微米。
实施例5：
在实施例1的基础上改变木质素的替代量为50％。利用粒度分析仪，发现改性微球粒径主要集中在50～100微米。
表1不同木质素替代量下改性酚醛树脂微球粒径分布
从图1和表1可以看出粒径的范围是可控的。
实施例6：
称取实施例1预炭化后的木质素改性酚醛树脂微球10g放入通有氮气保护的管式炉中，升温速率为10℃/min，炭化温度为850℃，炭化时间60min，待管式炉冷却后，取出样品，测量其比表面积为几乎为零。然后将炭化后产品继续放入同时通有氮气和水蒸气的管式炉中活化，活化温度为850℃，活化时间为30min，待管式炉冷却后取出产品，测其比表面积为1000m2/g。
实施例7：
称取实施例1预炭化后的木质素改性酚醛树脂微球10g放入通有氮气保护的管式炉中，升温速率为15℃/min，炭化温度为900℃，炭化时间30min，待管式炉冷却后，取出样品，测量其比表面积为几乎为零。然后将炭化后产品继续放入同时通有氮气和水蒸气的管式炉中活化，活化温度为800℃，活化时间为60min，待管式炉冷却后取出产品，测其比表面积为1200m2/g。
实施例8：
称取实施例1预炭化后的木质素改性酚醛树脂微球10g放入通有氮气保护的管式炉中，升温速率为5℃/min，炭化温度为900℃，炭化时间60min，待管式炉冷却后，取出样品，测量其比表面积为几乎为零。然后将炭化后产品继续放入同时通有氮气和水蒸气的管式炉中活化，活化温度为900℃，活化时间为90min，待管式炉冷却后取出产品，测其比表面积为1900m2/g。
实施例9：
称取实施例1预炭化后的木质素改性酚醛树脂微球10g放入通有氮气保护的管式炉中，升温速率为15℃/min，炭化温度为900℃，炭化时间30min，待管式炉冷却后，取出样品，测量其比表面积为几乎为零。然后将炭化后产品继续放入同时通有氮气和水蒸气的管式炉中活化，活化温度为850℃，活化时间为60min，待管式炉冷却后取出产品，测其比表面积为1700m2/g。
实施例10：
称取实施例1预炭化后的木质素改性酚醛树脂微球10g放入通有氮气保护的管式炉中，升温速率为10℃/min，炭化温度为850℃，炭化时间90min，待管式炉冷却后，取出样品，测量其比表面积为几乎为零。然后将炭化后产品继续放入同时通有氮气和水蒸气的管式炉中活化，活化温度为850℃，活化时间为60min，待管式炉冷却后取出产品，测其比表面积为1500m2/g。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：以苯酚、甲醛和生物质为原料，无机碱作为催化剂，制备生物质改性酚醛树脂微球，再依次经碳化和活化后，得生物质改性酚醛树脂碳球。
2.根据权利要求1所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤A、配有机械搅拌、冷凝管和温度检测装置的反应釜中加入苯酚、甲醛和生物质，无机碱作为催化剂，搅拌加热到，然后再加入固化剂，升温至95～100℃继续搅拌2～4小时，过滤分离出改性酚醛树脂微球，然后洗涤，烘干，得；
步骤B、将步骤A制备到的生物质改性酚醛树脂微球放入通有氮气的管式炉中进行炭化；
步骤C、将步骤B炭化后的微球继续放入同时通有氮气和水蒸气的管式炉中进行活化。
3.根据权利要求1所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：所述的生物质为酶解木质素、碱木质素、木质素磺酸钠、草本碱木素或麦草碱木质素中的任意一种；
和/或，所述的生物质用量为苯酚用量的10％～50％(重量)；
和/或，所述无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙和氨水中的任意一种或多种。
4.根据权利要求2所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：步骤A中所述的固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、六次甲基四胺和间苯二胺中的任意一种或多种。
5.根据权利要求2所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：步骤B中所述的炭化温度为800～900℃；
和/或，步骤B中所述的炭化时间为30～90min。
6.根据权利要求2所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：步骤B中所述的炭化温度为850℃；
和/或，步骤B中所述的炭化时间为60min。
7.根据权利要求2所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：步骤C所述的活化温度为800～900℃。
8.根据权利要求1所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：步骤C所述的活化温度为850℃。
9.根据权利要求1所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：步骤C所述的活化时间为30～90min.
10.根据权利要求1所述的粒径可控生物质改性酚醛树脂碳球的制备方法，其特征在于：步骤C所述的活化时间为60min。
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