[发明专利]一种具有皮芯复合结构的多孔活性炭纤维吸附材料及其制备

说明书

技术领域

本发明属于活性炭纤维吸附材料及其制备领域，特别涉及一种具有皮芯复合结构的多孔活性炭纤维吸附材料及其制备。

背景技术

活性炭纤维(ACF)，亦称纤维状活性炭，是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料，其超过50％的碳原子位于内外表面，构筑成独特的吸附结构，被称为表面性固体。它是由纤维状前驱体，经一定的程序炭化活化而成。较发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量，且由于它可方便地加工为毡、布、纸等不同的形状，并具有耐酸碱耐腐蚀特性，使得其一问世就得到人们广泛的关注和深入的研究。目前已在环境保护、催化、医药、军工等领域得到广泛应用。

目前纤维状的活性炭纤维强度基本不超过0.2GPa，而具有大孔的ACF强度指标更低，基本达不到0.1GPa。ACF表面不同的孔径能赋予活性碳纤维不同的吸附性能。目前在大孔的制备方面已经有所突破，基本上是在原材料中添加扩孔催化剂达到获得大孔的目的，但是已有制备工艺中大孔的产生容易造成强度的损失，过低的强度也严重影响了ACF的使用范围和使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有皮芯复合结构的多孔活性炭纤维吸附材料及其制备，该吸附材料强度可控制在0.3-0.6Gpa，表层呈多孔结构，在延长材料使用寿命的同时，也有利于负载生物细胞；且制备方法易于操控，活化工艺简单，适合大规模生产。

本发明的一种具有皮芯复合结构的多孔活性炭纤维吸附材料，其结构组成包括：表层为具有大孔的碳纤维，芯层为无孔的碳纤维，其中表层所占截面积比控制在10％-40％，且截面分布有孔洞。

所述的碳纤维为粘胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维，优选的碳纤维是粘胶基碳纤维，碳纤维强度为0.4GPa～0.8Gpa；

所述的多孔活性炭纤维吸附材料，其表层大孔的孔径为50～600nm，比表面积达到1000～2000m²/g。

本发明的一种具有皮芯复合结构的多孔活性炭纤维吸附材料的制备方法，包括：

(1)将上述碳纤维浸渍在钠盐的水溶液中2～4小时，其中钠盐的浓度为0.1mol/L～饱和浓度；

(2)将上述碳纤维放入活化炉中，在惰性气体保护条件下加热至800～1100℃，升温速率为5～20℃/min，通入水蒸气恒温活化处理0.5～2小时；

(3)降温到200℃后，关闭惰性气体和水蒸汽，制得多孔活性炭纤维吸附材料。

所述步骤(1)中的钠盐选自磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸钠、氯化钠、硝酸钠、硫酸钠中的一种或几种的混合物，浓度为0.1mol/L～2.0mol/L。

本发明在原有制备大孔活性碳纤维的基础上，直接采用碳纤维作为原料，通过调控盐的浓度和活化条件来控制孔的尺寸和位置，制备具有独特结构的活性炭纤维吸附材料；表层为多孔的活性碳纤维，孔洞赋予材料吸附性能，芯层为碳纤维强度骨架，该结构保证了该材料同时具有较好的吸附性能和较高的强度。

有益效果

(1)本发明的吸附材料强度可控制在0.3-0.6Gpa，表层呈多孔结构，在延长材料使用寿命的同时，也有利于负载生物细胞；

(2)该材料的制备方法易于操控，活化工艺简单，适合大规模生产。

附图说明

图1为不同孔洞分布的吸附材料电镜照片；

其中，(a)为表面孔洞分布，(b)为截面孔洞分布；

图2为本发明吸附材料的“皮芯”结构模型示意图；

其中，表层为多孔的活性碳纤维，芯层为碳纤维；

图3为实施例1的材料截面照片；

图4为实施例2的材料截面照片；

图5为实施例3的材料截面照片；

图6为实施例4的材料截面照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

将强度为0.7GPa的粘胶基碳纤维置于0.1M的Na₃PO₄溶液中静置3小时，再放入活化炉中，通入水蒸汽和N₂，以20℃/min的速率升温到1000℃，通入水蒸气恒温活化处理0.5小时，降温到200℃后，关闭惰性气体和水蒸汽，制得多孔活性炭纤维吸附材料。