[发明专利]一种多孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔碳材料的制备方法，具体涉及一种以氯化聚氯乙烯为主要原料制备多孔碳材料的方法。

背景技术

多孔碳材料是20世纪60年代发展起来的一种新型非极性碳素吸附剂材料。多孔碳材料孔径分布均匀，具有很高的化学稳定性和气体选择性，目前多孔碳材料已广泛应用于环境保护、化学工业、石油工业、食品加工、湿法冶金、药物精制、军事化防护等各个领域。

制备多孔碳材料的原料广泛，主要包括有机高分子聚合物(聚偏二氯乙烯树脂、酚醛树脂等)、各种煤及煤基衍生物(褐煤、烟煤、无烟煤等)、生物质(木材、果壳、甘蔗渣等)、石油副产物(石油残渣、石油焦、石油沥青等)，原料的不同使得制备多孔碳材料工艺不同，所获得的多孔碳材料的性能也不同，因此寻找一种分子结构相对稳定的聚合物以及聚合物混合物成为稳定制备多孔碳材料的一个趋势。

聚偏二氯乙烯或聚氯乙烯在一定条件下，脱氯，形成双键，发生Diels-Alder反应成环，获得多孔碳材料产品。目前单纯使用聚偏二氯乙烯制备多孔碳材料中一般含有未反应的氯原子，影响多孔碳材料在使用过程中的热稳定和化学稳定性，同时，由于聚偏二氯乙烯的硬度较低，使得在多孔碳材料制备过程中易产生闭孔现象，孔径难以控制，导致多孔碳材料的性能和稳定性受到影响。而且聚偏二氯乙烯的加热脱氯过程中会产生HCl，同时脱氯过程所需时间较长，导致生产周期长，热分解温度要求高至1000℃，导致能耗高；而采用微波脱氯方法时，所需时间虽然缩短，但较难大规模生产。另外，以聚偏二氯乙烯为原料制备多孔碳材料过程中，产生的HCl会不可避免的对设备产生腐蚀，并对环境造成污染。而单纯使用聚氯乙烯制备多孔碳材料，由于分子结构中氯含量不足，导致分子脱除氯后成环率低，多孔碳材料的强度降低，孔结构形成复杂且难以控制，影响多孔碳材料的性能和稳定性，难以工业化生产。因此，急需探索一种易于工业化，制得的材料孔径可控，比表面积适中，同时制备过程中有利于环境保护和设备防护的多孔碳材料制备方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种工艺简单、绿色环保、易于工业化、且制得的产品性能稳定的多孔碳材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(a)按重量份数，将氯化聚氯乙烯60～85份，碱金属氢氧化物5～20份，甲基丙烯酸酯共聚物5～20份在200～400rpm转速下搅拌混合后，在190～210℃温度下经双螺杆挤出机造粒，得到造粒料；

(b)将步骤(a)得到的造粒料在惰性气体氛围下，以升温速率20～30℃/min由25℃升温至600～700℃，恒温2～4h，再以升温速率15～35℃/min升温至800～900℃，恒温3～5h进行炭化，然后以20～40℃/min的降温速率降温至25℃，得到炭化材料；

(c)将步骤(b)得到的炭化材料浸入芳香物中2～4h后，再在惰性气体氛围下，以升温速率20～50℃/min由25℃升温至650～750℃，恒温3～5h，再以升温速率10～30℃/min升温至900～1000℃，恒温3～4h，然后以15～30℃/min的降温速率降温至25℃，得到多孔碳材料。

作为本发明的优选实施方式，步骤(a)所述的氯化聚氯乙烯氯含量为60wt.％～65wt.％。

作为本发明的优选实施方式，步骤(a)所述的碱金属氢氧化物为LiOH、NaOH、KOH中的一种或几种的混合物。

作为本发明的优选实施方式，步骤(a)所述的甲基丙烯酸酯共聚物为甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的共聚物或甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸酯的共聚物或两种共聚物的混合物。

作为本发明的优选实施方式，步骤(a)所述的挤出造粒时物料在双螺杆挤出机中的停留时间为4-9分钟。

作为本发明的优选实施方式，步骤(c)所述的芳香物为苯或酚醛树脂甲醇溶液。

作为本发明的优选实施方式，所述的酚醛树脂甲醇溶液浓度为30～40wt.％。

作为本发明的优选实施方式，所述的多孔碳材料平均孔径为80-800nm，比表面积为650-1020m²/g。

本发明中通过步骤(a)使一定比例的氯化聚氯乙烯、碱金属氢氧化物和甲基丙烯酸酯共聚物混合均匀，同时在熔融过程中，氯化聚氯乙烯发生初步分解，进而获得步骤(b)所需的造粒料。