高性能PAN基活性碳纤维制备的关联性研究
活性碳纤维(ACF)自从上世纪70年代后期就已经开始出现在人们的日常生活中，被广泛应用于吸附领域。这类纤维比表面积高、孔径分布窄并且富含微孔结构，还具备吸脱附脱效率高、吸附量大、吸附动力学性能更好等优点。尤其是聚丙烯腈基活性碳纤维在具备上述优点的同时，还具有含氮量高，力学性能强等特点，近年来，备受研究者们的青睐，对PAN-ACF进行了大量的研究。 传统的PAN基活性碳纤维大部分为间歇式生产，连续化生产主要是制备PAN基活性碳纤维布或者毡，对设备要求高，并且产品质量均一性差。传统的连续化制备PAN基活性碳纤维布或者毡均采用物理活化尤其是水蒸气或者二氧化碳进行活化，而化学活化法多用于间歇式制备PAN基活性碳纤维。并且传统的活化工艺制备的PAN基活性碳纤维制品都存在强度低，粉末化严重的问题。 本研究的主要目的就是实现单丝束型PAN基活性碳纤维的连续化高效率制备。通过摸索新的活化工艺实现连续化制备12K聚丙烯基活性碳纤维，样品孔结构丰富，吸附性能好，比表面积大，还兼具较好的强度。在自主设计的活性碳纤维连续化实验线上，通过连续化生产制备出PAN基12K预氧丝，之后再通过自主设计的碳化活化一体炉连续化制备PAN基活性碳纤维。本研究的活化工艺主要有水蒸气活化、氢氧化钾活化以及两者的协同活化。活化时需要解决的主要问题是如何合理设定活性工艺，控制活化程度，在达到较佳的活化效果的同时确保丝束不会断，稳定收样，连续化制备。 本研究主要采用了三种制备工艺:水蒸气碳化活化两步法（水蒸气活化低温碳化丝）、水蒸气碳化活化一步法（水蒸气一步活化预氧丝）以及氢氧化钾水蒸气协同一步法（KOH和水蒸气一步协同活化预氧丝），制得的三类聚丙烯腈基活性碳纤维分别简称为“两步法”PAN-ACF、“一步法”PAN-ACF和“协同一步法”PAN-ACF。通过对比三种制备流程以及各自对应的三种样品的力学及吸附性能，总结出较好的制备工艺，制备出高性能PAN基活性碳纤维。 结果表明，“协同一步法”制备的样品具备更优异的孔结构和吸附性能(BET比表面积可以达到1751m2/g)，但相应的纤维束强度以及最大载荷都较低，制备工艺流程相对于“两步法”和“一步法”都更复杂，工艺参数要求也更严格;“一步法”制备的样品力学性能最优(最高可以达到1.15GPa)，吸附性能也好于“两步法”，并且制备流程简单，工艺参数窗口大。相较于“两步法”PAN基活性碳纤维，“一步法”不仅能提高工作效率、节约能源，而且在最佳工艺条件下收样更加稳定，样品断丝毛丝少，丝束集束性好，载荷大。
活性碳纤维;聚丙烯腈基;活化工艺;力学性能;吸附性能
北京化工大学
硕士
材料工程
刘杰;连峰
2016
中文
TQ342.742;TQ340.6
91
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）