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活性炭纤维的热处理

发布时间: 2021-11-29  点击次数: 51次

  活性炭制造的纤维于其特殊的特性如高速吸附速率和易于处理而被称为优异的吸附剂材料。制造活性炭纤维需要额外的活化方法,并且可以由纤维素,酚醛树脂,沥青和聚丙烯腈来制备。在本工作中,氧化的5.0dtex纺织聚丙烯腈纤维被碳化成活性炭纤维。在不同加热速率下的碳化过程中,对纤维的形貌特征进行了监测,以确定碳纤维生产用作活性炭纤维原料的碳化条件。

  简单介绍活性炭与活性炭纤维

  活性炭(颗粒状,粉状或模塑形式)是泛使用的吸附剂材料之一,因为活性炭能够在广泛的吸附物上起作用。通常,活性炭用于可饮用和废水处理以及在许多其它应用中需要去除通常分散的污染分子的情况。

  活性炭纤维与普通活性炭相比具有特殊的特性,它能使其能够转变为织物,纺织或纱线形式,使其具有自我维持的特性。此外,活性炭纤维在其表面上显示了明确定义的孔结构,为特定组分提供了高且快速的吸附能力。尽管活性炭纤维应用的所有优点,由于其成本相对较高,因此其使用受到限制。

活性炭纤维的热处理

  使活性炭纤维成为非常特殊的吸附剂材料的最重要的特征之一是它们的孔径分布。由普通活性炭提出的孔的结构是梯状结构。在这种结构中,微孔位于中孔内,其又插入大孔结构中。分子被吸附的主要机理可以通过筛选过程来总结,其中分子首先穿过大孔,其次分子是中孔,随后发现这些微孔被吸附。在活性炭纤维的情况下,可以直接在其表面上发现大量的微孔,从而导致更快和更少的能量吸附机制,特别是对于气体。

  用于从碳纤维生产活性炭纤维的常用方法与用于交流生产的方法不同。该过程可以简单地描述为在700和1000℃之间的温度下的氧化剂热处理。

  可以通过使用不仅与活性炭表面反应而且与体原子反应的合适的进料气体来进行有效的活化过程。如果反应仅在其表面上进行,则碳纤维会损失其表面上的所有原子,并且不会产生孔隙,但是如果氧化发生在大体积碳原子上,则可以促进纤维的机械性能的快速损伤。活性炭纤维的孔分布特征和所有物理特性强烈依赖于活化工艺参数和原料(碳纤维)质量。

  热处理活性炭纤维的比重和密度变化

  图2a,b分别显示了10℃/分钟和100℃/分钟处理的活性炭样品的沉浮物浓度测量结果和氦超比重瓶比重测定。汇浮法基于净体积,而在氦超比重瓶中,通过产生更高的活性炭纤维密度值的所有可及孔体积来扣除体积。因此,通过这两种方法对相同样品产生的值的差异可以推测为由于未被溶剂填充但由He气体接近的孔的量。

纤维制成的活性炭

  图2a中曲线的分析显示,在低加热速率下处理的样品的比重瓶密度随着温度而升高,直到在950℃ 下值为1.90g·cm -3,并且高于其观察到降低行为。水槽浮动密度曲线显示两个值,首先在850℃,第二个在1000℃,活性炭之间的谷值在900℃时具有最小值(1.68g·cm -3)。对于在较高加热速率下处理的样品,也观察到类似的曲线形式和形状(图4b); 然而,在两种密度测定方法的曲线中观察到在650,850和950℃下具有值的三个带。验证了两个差异,首先在900℃,第二次在950℃,分别为10℃/分钟和100℃/分钟。观察到的差异可归因于在较高的加热速率处理中发生的高挥发反应,与的聚合反应相比较,其中聚合反应更明显并导致较低的质量损失水平。图1显示了活性炭纤维显微照片,可以观察到具有略微粗糙和不规则表面的相似图案。这些不同的形态方面可能与活性炭纤维前体的不同聚合物组成以及在活性炭纤维上进行的不同氧化条件有关。

  实验结果发现温度为900〜950℃的碳化反应被认为适用于单步骤的弱活性炭纤维生产,独立于加热速率(10℃/分钟或100℃/分钟)。通过两种不同方法的密度测定可以清楚地显示活性炭表面上存在微孔。活性炭纤维表面产生的开孔为950℃〜100℃/分钟,为多分散型,直径范围为1.3〜3.5nm(DA),SEM显微照片观察到较大的孔隙。但是可以观察低于2nm孔径的狭窄的选择。生产的活性炭纤维上的微孔结构给出了348至469m 2 / g(DA)的微孔的比表面积,对于将这些活性炭纤维分类为高活性材料而言,它们的价格相对较差,但可以认为是执行后续的激活过程,这可能将纤维材料转化成用作吸附或筛分介质的活性炭材料。

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