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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

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讲义 9.2资料文件与下载

9.2 活性炭纤维.pdf---点此下载文件

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。

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。

 

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。

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)。

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。

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;

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。

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

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。

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。

      


下一节:第九章 其它精细化学品 学习要点、结构导图和精华笔记

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精细化学品生产工艺学课程列表:

第一章 绪论

-0 课程简介和参考资料

--考核-视频(附件含PPT)

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--征集课程辅助资料需求

--讨论贴:精细化工行业就业

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--最新资讯分享

-1.1 精细化学品的定义和分类

--考核-视频(附件含PPT) 1.1

--讲义 1.1

--考核-习题 1.1

--讨论:精细化学品分类

-1.2 精细化工的特点

--考核-视频(附件含PPT)1.2

--讲义 1.2

--考核-习题 1.2

--讨论:精细化工的特点

-1.3 精细化工现状和发展趋势

--视频(附件含PPT)1.3

--讲义 1.3

--习题 1.3

--讨论:精细化工企业规模发展

-1.4 精细化工原料及林产精细化工

--视频(附件含PPT)1.4

--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?

--讨论:【知识点拓展】天然产物精细化学品

--辅助教学材料-皂荚树挂果情况

--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

--视频(附件含PPT)1.5

--讲义 1.5

--习题 1.5

-1.6 拓展-讲座 甘露聚糖胶研究与应用

--视频(附件含PPT)1.6

--讲义1.6

-讨论:【课程拓展】精细化工中的科技英语

-讨论:精细化学品与“摆摊经济”

-作业:【北林混合式教学线上学习要求】第一章笔记

-第一章 绪论 学习重点及知识点结构导图

-考核-讨论:由精细化工中的法律知识谈职业素养

第二章 单元反应

-2.1-1 先修知识介绍-有机化学基础知识

--视频(附件含PPT)2.1-1

--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

--视频(附件含PPT)2.1-2

--讲义 2.1-2

--习题 2.1-2

-2.1-3 先修知识介绍-松脂简介

--视频(附件含PPT)2.1-3

--讲义 2.1-3

--习题 2.1-3

--讨论:琥珀与松香

--辅助教学视频-落叶松

--辅助教学视频-普通松香与歧化松香

-2.2 单元反应-卤化、磺化、羟基化和酰化反应

--考核-视频(附件含PPT)2.2

--讲义 2.2

--考核-习题 2.2

--参考文献:溴化反应举例

-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

--考核-视频(附件含PPT)2.3

--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

--考核-视频(附件含PPT)2.4

--讲义 2.4

--考核-习题 2.4

-第二章 单元反应汇总

--第二章 单元反应 学习重点及框架结构导图

--松香单元反应汇总-1

--松香单元反应汇总-2(附件含PPT)

--松香基衍生物合成相关文献资料

-讨论:林产资源及可进行的单元反应

-讨论:以某类精细化学品为例,分析其生产中的单元反应

-作业:【北林混合式教学线上学习】第二章 笔记

-考核-讨论:谈谈对梁希精神的理解

-作业:梁希混合式教学笔记(松香树脂酸反应汇总)

第三章 表面活性剂

-3.1 表面活性剂概述

--考核-视频(附件含PPT)3.1

--讲义 3.1

--习题 3.1

--讨论:日用品之企业

-3.2-1 表面活性剂基础知识-概念

--考核-视频(附件含PPT)3.2-1

--讲义 3.2-1

--考核-习题 3.2-1

--辅助视频-鸡尾酒配置

--辅助教学视频-彩虹糖水

--辅助教学视频-漂浮在水面的针

--辅助教学视频-水上运动

--讨论(视频)-动感油滴工艺品

--讨论(视频)-超疏水木材疏水效果

--讨论:鸡尾酒中的课程知识

-3.2-2 表面活性剂基础知识-结构和分类

--考核-视频(附件含PPT)3.2-2

--讲义 3.2-2

--考核-习题 3.2-2

--参考文献:6分39秒以及11分50秒

--讨论(视频)-跳舞的泡泡

--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

--考核-视频(附件含PPT)3.2-3

--讲义 3.2-3

--考核-习题 3.2-3

--讨论:表面张力的应用实例分析

-3.2-4 表面活性剂基础知识-胶束化性质

--考核-视频 3.2-4

--讲义 3.2-4

--考核-习题 3.2-4

--参考文献:堆积理论

--讨论:胶束化性质知识点解析

-3.2-5 表面活性剂基础知识-CMC值测定方法

--考核-视频(附件含PPT)3.2-5

--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

--考核-视频(附件含PPT)3.2-6

--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

--考核-视频(附件中含PPT)3.2-7

--讲义 3.2-7

--考核-习题 3.2-7

--辅助教学视频-反泡泡

--辅助教学材料-洗发水与护发素成分对比

--参考文献: 10分10秒 表面活性剂在无机材料中应用

--讨论:面霜 护手霜可否用来擦皮鞋?

--讨论(视频):眼镜防雾小妙招

-3.2-8 表面活性剂基础知识-影响表面活性剂性能的因素

--考核-视频(附件中含PPT)3.2-8

--讲义 3.2-8

--参考文献: 12分

--习题 3.2-8

--辅助教学视频-食盐对洗洁精粘度的影响

--讨论(视频):隐性眼镜护理液和洗洁精的乳化效果

-3.3-1 松香合成表面活性剂-歧化松香

--考核-视频(附件中含PPT)

--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

--视频(附件中含PPT)

--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

--考核-视频(附件中含PPT)3.3-3

--讲义 3.3-3

--习题:3.3-3

--参考文献:6分20秒

--参考文献:6分40秒

--参考文献:8分

--参考文献-非视频内引用1

--参考文献-非视频内引用2

--讨论:松香基表面活性剂相关研究

-3.4 常用表面活性剂产品

--视频(附件中含PPT)3.4

--讲义 3.4

--习题:3.4

--讨论:日用品中的表面活性剂

--讨论:洗涤用品中的表面活性剂

-3.5 拓展-实验:一滴洗洁精的魅力

--考核-视频 3.5

--讲义 3.5

--习题 3.5

--辅助教学材料-一滴洗洁精的魅力 棉签版

--辅助视频-洗洁精魅力系列

-第三章 表面活性剂汇总

--第三章 表面活性剂汇总-1

--第三章 表面活性剂汇总-2

-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

-第三章 表面活性剂 学习要点及框架结构导图

-考核-讨论:表面活性剂的“神奇之处”

-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

第四章 胶粘剂

-4.1 胶粘剂概述

--考核-视频(附件含PPT)4.1

--讲义 4.1

--考核-习题 4.1

--辅助教学食品-牛奶蛋白胶

--辅助教学食品-自制史莱姆

--讨论:你所用过的胶粘剂

-4.2 植物单宁胶粘剂

--考核-视频(附件含PPT) 4.2

--讲义 4.2

--考核-习题 4.2

-4.3 松香胶粘剂

--考核-视频(附件含PPT) 4.3

--讲义 4.3

--习题 4.3

--辅助教学视频-松香胶粘剂?

--讨论:松香经改性可用作哪些胶粘剂?

-4.4 拓展-访谈:软包装胶粘剂

-- 视频(附件含PPT) 4.4

--讲义 4.4

--习题 4.4

--讨论:软包装胶粘剂的结构特征

-第四章 胶粘剂 学习要点及思维导图

-第四章 胶粘剂笔记(北林林化17)

-讨论:家装胶粘剂

-考核-讨论:单宁制备胶粘剂的优缺点?

第五章 食品添加剂

-5.1 食品添加剂概述

--考核-视频(附件含PPT)5.1

--讲义 5.1

--考核-习题 5.1

--辅助教学视频-饮料中的色素

--辅助教学视频-食品制作-泡打粉与小苏打

-5.2 食品抗氧化剂

--考核-视频(附件含PPT)5.2

--讲义 5.2

--考核-习题 5.2

--讨论:抗氧化剂与防腐剂

--讨论:植物单宁抗氧化剂与植物单宁胶粘剂

-5.3-1 食用香料概述

--考核-视频(附件含PPT)5.3-1

--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

--考核-视频(附件含PPT)5.3-2

--讲义 5.3-2

--考核-习题 5.3-2

--辅助教学视频-精油蒸馏实验教学视频

--辅助教学资料-迷迭香原料

--辅助教学资料-洋甘菊原料

--辅助教学资料-薰衣草原料

-5.3-3 食用香料-香料单离技术

--考核-视频(附件含PPT)5.3-3

--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

--视频(附件含PPT)5.3-4

--讲义 5.3-4

--习题 5.3-4

-5.3-5 实验:天然苯甲醛合成

--视频(附件含PPT)5.3-5

--讨论:天然食用香料

-5.4 拓展-实验:糖尿病患者应该如何吃糖

--考核-视频(附件含PPT)5.4

--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

--视频(附件含PPT)5.5

--讲义 5.5

--习题 5.5

-讨论:天然色素-精细化工之“色彩”

-第五章 食品添加剂 学习要点及思维导图

-第五章 笔记

-考核-讨论:身边的食品添加剂

第六章 医药制剂

-6.1 医药制剂概述和银杏叶制剂

--考核-视频(附件含PPT)6.1

--讲义 6.1

--考核-习题 6.1

--辅助教学材料-产鹿茸鹿视频

--辅助教学资料--悦康药业银杏叶提取物注射液

--讨论:天然产物医药制剂的优势及应用

-6.2 松节油合成冰片

--考核-视频(附件含PPT)6.2

--讲义 6.2

--习题 6.2

--讨论:医药中间体行业

-6.3 拓展-访谈:医改形式下的医药发展

--视频(附件含PPT)6.3

--讲义 6.3

--习题 6.3

--讨论:对新药研发的认识

-6.4 拓展-讲座:松节油基萜类驱避剂与驱避机理的新认识

--视频 6.4(含PPT pdf版)

--讲义 6.4

--讨论:驱避剂产品与驱避机理

-第六章 医药制剂笔记(北林林化17课程要求)

-第六章 医药制剂 学习要点及知识点导图

-考核-讨论:医药、保健品和医药发展

第七章 造纸化学助剂

-7.1 造纸助剂概述

--考核-视频(附件含PPT)7.1

--讲义 7.1

--考核-习题 7.1

--辅助教学视频-防火纸实验

--讨论:对纸的认识

-7.2 造纸施胶剂概述

--考核-视频(附件含PPT)7.2

--讲义 7.2

--考核-习题 7.2

-7.3 强化松香施胶剂

--视频(附件含PPT)7.3

--讲义 7.3

--习题 7.3

--讨论视频:松香施胶剂的认识

--讨论:造纸施胶剂种类与生产原理

-7.4 纸张增强剂

--考核-视频(附件含PPT)7.4

--讲义 7.4

--考核-习题 7.4

-第七章 造纸助剂 学习要点及思维导图

-第七章 造纸助剂笔记

-考核-讨论:造纸助剂及其作用

-作业:梁希混合式教学笔记(4-7章内容)

第八章 涂料

-8.1 概述

--考核-视频(附件含PPT)8.1

--讲义 8.1

--考核-习题 8.1

-8.2 松香在涂料中应用

--视频(附件含PPT)8.2

--讲义 8.2

--习题 8.2

-8.3 带锈涂料

--考核-视频(附件含PPT)8.3

--讲义 8.3

--考核-习题 8.3

--第八章 涂料笔记

-第八章 涂料 学习要点及结构导图

-考核-讨论:特种涂料

第九章 其它精细化学品

-9.1-1 油墨概述

--考核-视频(附件含PPT)9.1-1

--讲义 9.1-1

--考核-习题 9.1-1

-9.1-2 油墨结构与生产过程

--考核-视频(附件含PPT)9.1-2

--讲义 9.1-2

--考核-习题 9.1-2

-9.1-3 松香在油墨中的应用

--视频(附件含PPT)9.1-3

--讲义 9.1-3

--习题 9.1-3

--讨论:松香衍生物及其应用

-9.2 活性炭纤维

--考核-视频(附件含PPT)9.2

--讲义 9.2

--考核-习题 9.2

--第九章其它精细化学品笔记

-第九章 其它精细化学品 学习要点、结构导图和精华笔记

-考核-讨论:你所感兴趣的功能材料及其功能性或特殊性

-作业:梁希混合式教学笔记(8-9章)

第十章 精细化学品的分析

-10.1 碳和氢元素分析

--视频(附件含PPT)10.1

--讲义 10.1

--考核-习题 10.1

-10.2 氮元素分析

--视频(附件含PPT)10.2

--讲义 10.2

--考核-习题 10.2

-10.3 硫和卤素分析

--考核-视频(附件含PPT)10.3

--讲义 10.3

--考核-习题 10.3

-10.4 精细化工产品的仪器分析法

--考核-视频(附件含PPT)10.4

--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

-考核-讨论:某种精细化学品的分析和鉴定

拓展-讨论课视频分享

-北林林化讨论课视频

--北林林化09 大学生创业-轮船涂料-宣传片

--北林林化12-戏说苹果醋

--北林林化13-比厨招亲

--北林林化16-来一起制作泡泡液吧

--北林林化16-手工皂制作

--北林林化17讨论课视频汇总

--北林林化16-洗衣粉、洗衣液、洗洁精和肥皂对可乐、口红、红油和泥土的去污能力对比

--北林林化16-天然色素与洗洁精的碰撞

-线下拓展课程-一滴洗洁精实验2019秋

讲义 9.2笔记与讨论

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