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 > 讲义 9.2
9.2活性炭纤维
根据我国1986年《暂行规定》中对精细化学品的11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,对于大多数同学们来说,可能比较陌生。但是,如果我问你,雾霾,你知道吗?估计大部分人都深有体会,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国家,都处在严重空气污染中。
而对于我们普通大众来说,应对雾霾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这种作用的呐?在多数口罩产品中,这种重要的材质就是活性炭纤维材料了。而活性炭纤维如何起到防护雾霾作用的呢?在今天的课程学习之后,我们便能找到答案了。
1 活性炭纤维定义和结构
活性炭纤维便是纤维状的活性炭,同时也是活化了的炭纤维。物理结构如图1,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5-20微米,比表面积平均在1000-1500m2/g,最高可以达到3000 m2/g,纤维表面的平均孔径为1-4nm,是非常小的,而且,这些微孔是均匀分布于纤维表面上的。活性炭的形态不仅可以为纤维状,还有颗粒状的,而颗粒状活性炭(图1)微孔是分布在颗粒内部,均一性比较差。
图1 物理结构
从活性炭纤维的物理结构可以看出来,他的表面孔隙发达,比表面积大,应该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它物质,只是它的孔隙不均匀,影响了吸附性能。
活性碳纤维的化学结构主要是由90%的碳组成,另外,在活化过程中,会引入其它元素,比如氧元素,对应的基团可以是羧基、羟基、羰基等等,也可以引入各种含氮或者硫、磷的其它元素。
2 发展历史和现状
在了解了活性炭纤维的概念和结构后,我们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活性炭和颗粒状活性炭,是不同形状的活性炭材料,粉末和颗粒状炭纤维均没有纤维状碳纤维的长度可控性,孔隙也没有那么均匀和发达,性能方面也会有较大差异。
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。
图2 19世纪电灯
19世纪末,也就是八十年代,托马斯・爱迪生和约瑟夫・斯旺,将木棉和竹子,燃烧后制成的炭纤维,作为灯丝发明了电灯(如图2),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,所以碳纤维并没有得到发展。
二十世纪,五十年代,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公司开始用黏胶丝作为前驱体,来生产炭纤维。
与此同时呐,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,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远高于美国的黏胶丝制备的炭纤维。所以,近藤昭男在1959年,将PAN炭纤维申请了专利,并几经周转,将这项技术授权给了东授权给日本东丽公司。这就开启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。
目前日本的炭纤维生产能力在全球占有重要位置,连同美国,占世界炭纤维生产能力的一半以上,我国炭纤维生产能力相对弱一些,但需求却特别大,所以,很多依赖进口,特别是高性能炭纤维材料,95%以上依赖进口。
3 生产工艺和应用
3-1 生产方式
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;又或者将活性炭粘在有机纤维上,得到活性炭和有机物的复合纤维,这两种方法都是在其它纤维上额外加入活性炭。另外,可以将活性炭与聚合物混合后纺丝得到纤维,注意这里的纤维是通过纺丝制备出来的。根据聚合物形态不同,一般要选用不同的纺丝设备,如图3凝胶、干法、熔融和静电纺丝装置等。
图3 纺丝装置
3-2 生产过程
而直接将有机纤维处理也可以得到活性炭纤维,这个处理就是经过炭化和活化两步骤加工。在加工过程中,有机纤维的纤维形状必须不被破坏,才能保证最终得到活性炭产品为纤维状。所以,有机纤维一般都需要进行预处理。有机纤维生产活性炭纤维也就包括了三步,预处理、炭化和活化(图4)。
图4 生产过程
详细看一下这个生产过程以及过程中化学物质的变化。如图4,生产过程便是,将有机原料纤维经过预处理得到可炭化纤维,再经过炭化和活化便得到活性炭纤维。具体对于不同的有机纤维原料,处理方法是不同的。比如粘胶纤维,要经过浸渍催化剂促进脱水,外加氧化预处理;而聚丙烯腈纤维是经氧化预处理,木质素纤维则经过固化预处理;这些预处理呐,都是为了后期加工保持纤维的形态。再经过不同温度的碳化和活化处理,便得到各种有机纤维转化的活性炭纤维。
以聚丙烯腈PAN纤维为例,分析下这个生产过程的化学结构变化。
首先,氧化预处理中,聚丙烯腈的碳氮三键,腈的结构成环如图5,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;进一步脱氢氧化,得到三层分子相连的环结构。这是第一步预处理。
图5 预处理过程化学结构变化
第二步为高温炭化,分子中的氮和氢,以氨气、氢气、氮气等气体形式被消除掉,生成多层稳定的共轭环结构;
图6 高温炭化化学结构变化
最后一步是经过石墨化活化处理,释放氮气消除分子中的氮元素,纤维转变成石墨碳纤维。产物中,含碳量高达92%以上。所得炭纤维的质量指标主要为比表面积、纤维直径和纤维表面的平均孔隙直径等。
图7 石墨化分子结构变化
3-3 质量指标和应用
炭纤维由于具有高比表面积和发达的孔隙结构,通常会被用作气体或液体的吸附材料,比如吸附二氧化硫进行废气处理,吸附亚甲基蓝或者苯等进行废液处理,如图8。
图8 活性炭纤维结构及性能
做为吸附材料使用时,活性炭纤维材料的使用方法如图中防毒布结构所示,是将活性炭纤维布或层材料,放入保护层,如图9,而起到吸附作用。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,便有活性炭纤维材料的吸附、防毒作用。那么,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纤维的特殊结构,和优异的吸附性能而起到作用的。
图9 防毒布结构
活性炭纤维不仅仅可作为吸附材料,还可以利用它表面的活化官能团作用,多π电子中心以及与其材料复合等等,而被用作航空、航天、超级电容器和催化材料等。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。
推荐两本参考书籍,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,活性炭材料的理论基础比较全面;另一本是罗瑞盈主编,2017年化学工业出版社出版的《炭纤维复合材料》,以新型复合材料和新技术为主。
-0 课程简介和参考资料
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-5.4 拓展-实验:糖尿病患者应该如何吃糖
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-第五章 笔记
-6.1 医药制剂概述和银杏叶制剂
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--讲义 6.3
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-6.4 拓展-讲座:松节油基萜类驱避剂与驱避机理的新认识
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-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
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-7.2 造纸施胶剂概述
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--习题 7.3
-7.4 纸张增强剂
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-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
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-8.2 松香在涂料中应用
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-8.3 带锈涂料
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--第八章 涂料笔记
-9.1-1 油墨概述
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-9.1-2 油墨结构与生产过程
--讲义 9.1-2
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-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