当前课程知识点:精细化学品生产工艺学 > 第九章 其它精细化学品 > 9.2 活性炭纤维 > 考核-视频(附件含PPT)9.2
同学们 大家好
今天我们来学习一种新的精细化学品
活性炭纤维
根据我国1986年暂行规定中
对精细化学品的十一种分类
活性炭纤维是属于其中的
功能高分子材料
活性炭纤维这类精细化学品
对于大多数同学来说
可能是比较陌生的
但是如果我问你
雾霾 你知道吗
估计大多数人都深有体会
特别是生活在北方的同学们
其实雾霾不单单在中国比较严重
据世界卫生组织发布的
全球空气质量报告
亚洲 中东 非洲大部分国家
以及南美个别的国家
都处在严重的空气污染当中
而对于我们普通大众来说
应对雾霾的最常用的方法
也就是戴口罩了
我们希望通过口罩的作用
把PM2.5以上的微粒阻挡或者过滤掉
来减少雾霾对我们的伤害
那么口罩里面
哪种材质起到的这种作用的呢
在多数的口罩产品当中
这种重要的材质就是活性炭纤维材料
而活性炭纤维
如何起到的防护雾霾的作用的呢
在今天的课程学习之后
我们便能找到答案了
我们本节课主要讲三部分的内容
活性炭纤维的定义和结构
发展历程和现状
生产工艺和应用
我们先来看什么是活性炭纤维
活性炭纤维便是纤维状的活性炭
同时也是活化的了炭纤维
是将炭纤维经高温活化
使其表面产生非常多的纳米级的孔隙
来增加比表面积
从而改变其物理化学性质
而经活化后的纤维
直径一般为5到20个微米
比表面积平均在
1000到1500平方米每克
最高可以达到3000平方米每克
纤维表面的平均孔径一般是
1到4个纳米
是非常非常小的
而且这些微孔是
均匀分布在纤维的表面上的
活性炭的形态
其实不仅可以为纤维状的
还有颗粒状的
而颗粒状活性炭纤维的微孔
是分布在颗粒内部的
它的均一性比较差
从活性炭纤维的物理结构可以看出来
它的表面孔隙发达
比表面积比较大
是一个非常好的吸附材料
所以它可以吸附PM2.5的微粒
而起到防雾霾的作用
同理
其实颗粒活性炭
也可以吸附其他的物质
只是它的孔隙不均匀
影响了吸附性能
活性炭纤维的化学结构
主要是由90%的炭组成
另外在活化过程中
会引入其他的元素
比如说氧元素
会引入其他的元素
比如说氧元素
对应的基团可以是羧基 羰基
羧酸等等
也可以引入各种其他的
含氮或者硫 磷的元素
在了解了活性炭纤维的概念
和结构之后
我们来看一下它的发展历程和现状
活性炭纤维是活性炭
对应的第三代产品
前两代分别是
粉末状的活性炭和颗粒状的活性炭
是不同形状的一个活性炭
粉末和颗粒状的活性炭纤维
它没有纤维状炭纤维的长度可控
孔隙也没有那么的均匀和发达
性能方面也会有较大的差距
讲到活性炭纤维的发展史
我们不得不说一下炭纤维的发展历程
19世纪末
也就是80年代
托马斯爱迪生和约瑟夫斯旺
也就是80年代
托马斯爱迪生和约瑟夫斯旺
将木棉和竹子
托马斯爱迪生和约瑟夫斯旺
将木棉和竹子
燃烧后制成炭纤维
可以作为灯丝
所以他们发明了电灯
这便是炭纤维的启蒙阶段
但当时钨丝作为灯丝
比炭纤维更廉价
所以炭纤维并没有得到发展
20世纪50年代
美苏冷战期间
美国想寻找一种耐烧蚀的材料
来用于航天飞机
于是美国联合碳化物钨丝
开始用黏胶丝作为前驱体
来生产炭纤维
与此同时
日本大阪工业研究所的近藤昭男
也在进行炭纤维的研究
同学们请记住这个伟大的名字
近藤昭男
他对炭纤维材料的贡献是不可磨灭的
他是使用聚丙烯腈
英文缩写为PAN
作为前驱体来制造炭纤维
所得到的炭纤维强度和模量
远高于美国的研究师制备的炭纤维
所以近藤昭男在1959年
将PAN炭纤维申请了专利
并几经周转
将这项技术授权了日本东丽公司
这就开始了日本东丽公司的
炭纤维王国之路
日本东丽公司将炭纤维材料的应用
拓展到了非常多的领域
从高尔夫球杆 钓鱼竿
到波音公司的飞机材料
所以目前日本的碳纤维生产能力
在全球占有重要的位置
连同美国
在全球占有重要的位置
连同美国
占世界碳纤维生产能力的一半以上
我国碳纤维生产能力相对要弱一些
但需求却非常的大
很多都依赖进口
特别是高性能的碳纤维材料
95%以上都依赖进口
以上是活性炭纤维的发展历程和现状
具体如何生产碳纤维材料呢
活性炭纤维的生产方式有很多种
比如将活性炭织入玻璃纤维中
形成活性炭和玻璃的纤维
又或者将活性炭黏在有机纤维上
得到活性炭和有机纤维的复合纤维
这两种方法
都是在其他纤维上
额外的加入的活性炭
另外
可以将活性炭与聚合物混合之后
纺丝来得到纤维
注意这里的纤维
是通过纺丝制备出来的
根据聚合物的形态不同
一般要选用不同的纺丝设备
比如说凝胶
干法 溶熔法
和静电纺丝装置等等
而直接将有机纤维处理
也可以得到活性炭纤维
这个处理就是经过碳化和活化
两步骤的加工
在加工过程当中
有机纤维的
纤维形状是必须不能被破坏的
才能保证它最终得到
活性炭纤维的产品为纤维状
所以有机纤维一般都需要进行预处理
那么有机纤维生产
活性炭纤维也就包括了三个步骤
预处理 碳化和活化
我们详细看一下这个生产过程
以及过程当中的化学物质的变化
生产过程便是
将有机原料纤维经过预处理
生产过程便是
将有机原料纤维经过预处理
得到可碳化的纤维
再经过碳化和活化
便得到了活性炭纤维
具体对于不同的有机纤维原料
处理方法是不同的
比如黏胶的纤维
它要经过静置催化剂
促进脱水
外加氧化预处理
而聚丙烯腈的纤维
是经过氧化预处理
木质素纤维则要经过固化预处理
这些预处理都是为了后期加工
来保持纤维的形状
再经过不同的温度的碳化和活化处理
便可以得到
各种有机纤维转化的活性炭纤维
我们以聚丙烯腈PAN纤维为例
分析一下这个生产过程的
化学结构变化
首先
氧化预处理当中
聚丙烯腈的碳氢三键
腈的结构先成环
再经过脱氢
也就是氧化
生成共轭稳定的单层分子
碳环共聚物
生成共轭稳定的单层分子
碳环共聚物
进一步脱氢氧化
得到三层的分子相连的一个环的结构
这是第一步的预处理过程
那么在第二步当中
它是一个高温碳化的过程
分子当中的碳和氢
以氨气 氢气 氮气等气体的形式
被消除掉
生成多层稳定的共轭的环结构
最后一步是经过石墨化活化处理
释放氮气来消除分子当中的氮元素
纤维便转化成石墨碳纤维
在产品当中含碳量可以高达92%以上
所得的碳纤维的质量指标
主要为比表面积纤维的直径
和纤维表面的平均孔隙直径等等
碳纤维由于具有高比表面积
和发达的孔隙结构
通常会用作气体或者液体的吸附材料
比如吸附二氧化硫
通常会用作气体或者液体的吸附材料
比如吸附二氧化硫
进行废物处理
吸附亚甲基蓝或者苯等
进行废液处理
作为吸附材料使用时
活性炭的碳纤维
作为吸附材料使用时
活性炭的碳纤维
它使用的方法就如同我们图中
防毒布的结构所示
是将活性炭纤维的布或者层材料
放入到保护层里面
而起到吸附的作用
2013年
安倍晋三在视察泄漏的
福岛核电站时
所穿的这类防护服和防毒面具
便有活性炭材料的吸附和防毒作用
我们可以回到我们课程初始的话题
防雾霾的口罩
同样是利用了活性炭的特殊结构
和优异的吸附性能
而起到的作用的
活性炭纤维不仅仅可以作为吸附材料
还可以利用它表面的活化官能团作用
多π电子的中心
以及与其他材料进行复合等等
而被用作航天 航空
超级电容器和催化材料等等
活性炭纤维
作为一种富含新技术的
功能高分子材料
其应用领域广泛
功能性强
我们这节课主要讲了三个内容
活性炭纤维的定义 结构
发展历程和现状
生产工艺和应用
其中发展历程 现状和应用
同学们理解即可
其中发展历程 现状和应用
同学们理解即可
而对于定义 结构和生产工艺
是本节课的重点
需要同学们着重学习
而且这么一大类功能材料
我们仅用了一节课的时间来讲
内容涉及的深度和广度
都是不够的
老师在这里只是抛砖引玉
还希望有兴趣的同学
课下多查阅相关的资料和书籍
进一步的学习
那么在这里
给大家推荐两本参考资料
一本是蒋剑春主编的
给大家推荐两本参考资料
一本是蒋剑春主编的
《活性炭应用理论与技术》
2010年化学工业出版社出版的
活性炭材料的理论基础是比较全面的
另一本是罗瑞盈主编的
2017年化学工业出版社出版的
《炭纤维复合材料》
以新型的复合材料和新技术为主
好 同学们
这节课我们就上到这里
请同学们继续关注我们的课程
-0 课程简介和参考资料
--参考书籍-1
--参考书籍-2
--参考书籍-3
--最新资讯分享
-1.1 精细化学品的定义和分类
--讲义 1.1
--考核-习题 1.1
-1.2 精细化工的特点
--讲义 1.2
--考核-习题 1.2
-1.3 精细化工现状和发展趋势
--讲义 1.3
--习题 1.3
-1.4 精细化工原料及林产精细化工
--讲义 1.4
--习题 1.4
--讨论:【思政教育】透过精细化工行业,如何看美国、中国和非洲发展?在专业领域,我们能做什么?
--辅助教学材料-皂荚果实、皂荚种仁、皂荚树培育区、挂果皂荚树
-1.5 拓展-访谈:精细化工中的法律知识
--讲义 1.5
--习题 1.5
-1.6 拓展-讲座 甘露聚糖胶研究与应用
--讲义1.6
-作业:【北林混合式教学线上学习要求】第一章笔记
-2.1-1 先修知识介绍-有机化学基础知识
--讲义 2.1-1
--习题 2.1-1
-2.1-2 先修知识介绍-淀粉和纤维素化学结构
--讲义 2.1-2
--习题 2.1-2
-2.1-3 先修知识介绍-松脂简介
--讲义 2.1-3
--习题 2.1-3
--讨论:琥珀与松香
-2.2 单元反应-卤化、磺化、羟基化和酰化反应
--讲义 2.2
--考核-习题 2.2
-2.3 单元反应-硝化与亚硝化、氨解、重氮化、烷基化与环化反应
--讲义 2.3
--考核-习题 2.3
-2.4 单元反应-氧化与还原、歧化及其它反应
--讲义 2.4
--考核-习题 2.4
-第二章 单元反应汇总
-作业:【北林混合式教学线上学习】第二章 笔记
-作业:梁希混合式教学笔记(松香树脂酸反应汇总)
-3.1 表面活性剂概述
--讲义 3.1
--习题 3.1
-3.2-1 表面活性剂基础知识-概念
--讲义 3.2-1
--考核-习题 3.2-1
-3.2-2 表面活性剂基础知识-结构和分类
--讲义 3.2-2
--考核-习题 3.2-2
--讨论:使用氨基酸表面活性剂的洁面究竟对皮肤有什么好处呢?
-3.2-3 表面活性剂基础知识-表面张力
--讲义 3.2-3
--考核-习题 3.2-3
-3.2-4 表面活性剂基础知识-胶束化性质
--讲义 3.2-4
--考核-习题 3.2-4
-3.2-5 表面活性剂基础知识-CMC值测定方法
--讲义 3.2-5
--考核-习题 3.2-5
--期刊论文-滴体积法测定表面活性剂溶液临界胶束浓度的新方法
-3.2-6 表面活性剂基础知识-HLB值及其它性质
--讲义 3.2-6
--考核-习题 3.2-6
-3.2-7 表面活性剂基础知识-作用
--讲义 3.2-7
--考核-习题 3.2-7
-3.2-8 表面活性剂基础知识-影响表面活性剂性能的因素
--讲义 3.2-8
--习题 3.2-8
-3.3-1 松香合成表面活性剂-歧化松香
--讲义 3.3-1
--考核-习题 3.3-1
-3.3-2 松香合成表面活性剂-歧化松香胺
--讲义 3.3-2
--习题 3.3-2
-3.3-3 松香合成表面活性剂-松香基表面活性剂
--讲义 3.3-3
--习题:3.3-3
--参考文献:8分
-3.4 常用表面活性剂产品
--讲义 3.4
--习题:3.4
-3.5 拓展-实验:一滴洗洁精的魅力
--讲义 3.5
--习题 3.5
-第三章 表面活性剂汇总
-作业:【北林混合式教学线上学习】第三章 笔记-1
-作业:【北林混合式教学线上学习】第三章 笔记-2
-前三章知识点翻转课堂(含实验)
-作业:前三章讨论课总结(需上传)
-作业:梁希混合式第三章笔记
-4.1 胶粘剂概述
--讲义 4.1
--考核-习题 4.1
-4.2 植物单宁胶粘剂
--讲义 4.2
--考核-习题 4.2
-4.3 松香胶粘剂
--讲义 4.3
--习题 4.3
-4.4 拓展-访谈:软包装胶粘剂
--讲义 4.4
--习题 4.4
-第四章 胶粘剂笔记(北林林化17)
-5.1 食品添加剂概述
--讲义 5.1
--考核-习题 5.1
-5.2 食品抗氧化剂
--讲义 5.2
--考核-习题 5.2
-5.3-1 食用香料概述
--讲义 5.3-1
--习题 5.3-1
-5.3-2 食用香料-天然食用香料生产
--讲义 5.3-2
--考核-习题 5.3-2
-5.3-3 食用香料-香料单离技术
--讲义 5.3-3
--考核-习题 5.3-3
-5.3-4 食用香料-合成食用香料
--讲义 5.3-4
--习题 5.3-4
-5.3-5 实验:天然苯甲醛合成
-5.4 拓展-实验:糖尿病患者应该如何吃糖
--讲义 5.4
--习题 5.4
--讨论:甜味剂
-5.5 拓展-访谈:食品添加剂的安全问题
--讲义 5.5
--习题 5.5
-第五章 笔记
-6.1 医药制剂概述和银杏叶制剂
--讲义 6.1
--考核-习题 6.1
-6.2 松节油合成冰片
--讲义 6.2
--习题 6.2
-6.3 拓展-访谈:医改形式下的医药发展
--讲义 6.3
--习题 6.3
-6.4 拓展-讲座:松节油基萜类驱避剂与驱避机理的新认识
--讲义 6.4
-第六章 医药制剂笔记(北林林化17课程要求)
-7.1 造纸助剂概述
--讲义 7.1
--考核-习题 7.1
--讨论:对纸的认识
-7.2 造纸施胶剂概述
--讲义 7.2
--考核-习题 7.2
-7.3 强化松香施胶剂
--讲义 7.3
--习题 7.3
-7.4 纸张增强剂
--讲义 7.4
--考核-习题 7.4
-第七章 造纸助剂笔记
-作业:梁希混合式教学笔记(4-7章内容)
-8.1 概述
--讲义 8.1
--考核-习题 8.1
-8.2 松香在涂料中应用
--讲义 8.2
--习题 8.2
-8.3 带锈涂料
--讲义 8.3
--考核-习题 8.3
--第八章 涂料笔记
-9.1-1 油墨概述
--讲义 9.1-1
--考核-习题 9.1-1
-9.1-2 油墨结构与生产过程
--讲义 9.1-2
--考核-习题 9.1-2
-9.1-3 松香在油墨中的应用
--讲义 9.1-3
--习题 9.1-3
-9.2 活性炭纤维
--讲义 9.2
--考核-习题 9.2
--第九章其它精细化学品笔记
-作业:梁希混合式教学笔记(8-9章)
-10.1 碳和氢元素分析
--讲义 10.1
--考核-习题 10.1
-10.2 氮元素分析
--讲义 10.2
--考核-习题 10.2
-10.3 硫和卤素分析
--讲义 10.3
--考核-习题 10.3
-10.4 精细化工产品的仪器分析法
--讲义 10.4
--考核-习题 10.4
-第十章 精细化学品的分析检测 学习要点、结构导图及精华笔记
-第十章 精细化学品的分析笔记
-北林林化讨论课视频