[发明专利]一种超细活性碳纤维薄膜的制备方法及其制备的超细活性碳纤维薄膜

说明书

一种超细活性碳纤维薄膜的制备方法，其包括以下步骤：(1)纺丝原料的配制和供给步骤：将纺丝级各向同向沥青过滤，获得沥青原料，将相对于100质量％所述沥青原料为0.001～20质量％的纺丝助剂添加至所述沥青原料中并且进行混合，获得纺丝前驱体混合溶液，并且加入喷丝模具中；(2)激光辅助熔喷纺丝步骤：在用激光进行加热的同时，用高速气流将所述纺丝前驱体混合溶液喷丝，并且沉积在接收器上，获得前驱体纤维薄膜，其中，所述激光在所述喷丝模具上的加热部位为所述喷丝模具的前端处的位置；(3)预氧化步骤；(4)碳化步骤；和(5)活化步骤，获得超细活性碳纤维薄膜。

方法领域

本发明涉及用于除去VOC和PM的超细活性碳纤维薄膜的制备方法及其制备的超细活性碳纤维薄膜。

背景方法

空气污染被认为是主要的环境风险因素，对人类健康和生态环境造成严重的影响，并导致全球气候变化和环境变化。空气污染物可以分为两大类，即挥发性有机化合物(VOC)和颗粒物(PM)，减小这两个污染物的浓度具有重要的意义。根据空气污染物的上述分类，目前使用的空气过滤材料也主要分为以下两种系统：VOC吸附器和PM过滤器。考虑到现有吸附VOC的材料与去除PM的材料完全不同，这些材料不能同时去除VOC和PM，因此通常将VOC去除过滤器与PM去除过滤器配对。通常，同时去除PM和VOC污染的方法是通过将粒状活性炭(AC)或例如沸石等其它吸附剂与过滤介质(通过嵌入或单独作为独立的过滤模块)结合来实现的。因此，需要进一步设计和制备可以用于同时吸附和/或过滤VOC和PM的材料，来实现两种污染物的有效去除。

VOC的吸附工艺具有成本低、效率高的特点，可以有效捕获VOC的潜在候选材料包括多孔固体吸附剂，例如，碳基材料、含氧材料(例如沸石)、不同类型的粘土(例如坡缕石和蒙脱石)、和硅胶等。这些材料当中，多孔碳质材料凭借其固有的优势显示出作为低成本和稳定性好的吸附剂来消除VOC的巨大潜力。在多孔碳质材料中，AC是应用最广泛的吸附剂，因为其具有大的表面积、微孔结构和丰度高，并且容易获得。

PM是空气中固体和液滴的复杂悬浮混合物，是空气污染物的另一主要组成部分。根据颗粒大小(即，特定空气动力学直径)分类，尺寸小于或等于0.3μm、2.5μm、10μm的PM分别表示为PM0.3、PM2.5和PM10。与PM10和PM2.5相比，PM0.3在全球范围内对各种细菌/病毒的传播效果更好，因为颗粒尺寸更小，能够将它们传播到更远的距离。目前已经开发了一系列用于去除PM的材料，例如多孔膜和纤维基介质，其利用网状支撑结构和曲折的孔隙通道，可以同时拦截PM0.3和输送空气。其中，公认纤维基介质(例如聚丙烯(PP)、聚酯、纤维素、玻璃纤维等)在过滤领域消除PM0.3方面具有主要作用。

在系统探索实际空气过滤要求的过程中，VOC和PM经常混合在一起。然而，典型的多孔吸附剂(如AC)由于缺乏有效的纤维结构而无法捕获PM0.3，活性碳纤维(ACF)是一种具有纤维结构的、具有代表性的多孔吸附剂，但其超过10μm的较大直径使其不利于有效捕获PM0.3；另一方面，传统的纤维(如熔喷PP纤维)不具备大的表面积和纤维表面丰富的微孔，无法捕捉VOC。因此，空气过滤器通常设计为复杂的多层结构，用于深层空气清洁，然而，这增加了制备工艺的复杂性并且导致材料性能受限。因此，开发在纤维表面具有多孔表面和超细纤维结构的高效先进双功能材料具有重要意义，此类材料不仅能够捕获大量VOC，而且能够同时提供高PM0.3去除效率和空气传输。

超细活性碳纤维薄膜材料是一种具有丰富比表面和微孔的网络材料，由于其表面具有丰富的微孔和介孔，比表面巨大，因而被广泛应用于VOC的吸附；同时由于其超细纤维所组成的多孔通道结构，可以在高效拦截污染物颗粒的同时使得气流通过；此外，由于纤维直径小，在相同的面密度条件下，超细纤维搭接孔径小，增大了颗粒物与纤维的碰撞几率，实现了PM的高效过滤。