中空活性碳纤维概述.docx

中空活性碳纤维概述付正芳，王庆瑞，王曙中（东华大学材料学院纤维材料改性国家重点实验室，上海200051）摘要:中空活性碳纤维以其独特的结构而具有比活性炭和活性碳纤维更优异的性能。本文概述了中空活性碳纤维的制备过程及其应用。并指出，其作为吸附储氢材料具有一定前景。关键词:中空碳纤维；制备文章编号:1007-9815（2003）05-0032-04中图分类号:TQ342.74文献标识码:A。衡；③孔径分布范围窄，绝大多数孔径在100A以下，GAC的内部结构有微孔、过渡孔和大孔之分，而活性碳纤维的结构只有微孔，没有过渡孔和大孔，并且孔径均匀，分布比较狭窄，为0.1－1nm，这是ACF吸附选择性较好的原因；④ACF不仅对高浓度吸附质的吸附能力明显，对低浓度吸附质的吸附能力也特别优异，如当甲苯气体含量低到1×10-5以下时，ACF还能对其吸附，而GAC必须高于1×10-4时方能吸附；⑤耐热，耐酸碱；具有很强的氧化还原特性，可将高价金属离子还原为低价态；⑥滤阻小，约是GAC的1/3。中空活性碳纤维（ACHF）是一种具有中空结构的ACF。图1为中空纤维横截面图。ACHF保留了中空原丝的结构。ACHF内部具有中空结构，内径一般在20－100μm之间，壁厚为内径前言活性炭（AC）是一种具有多孔结构和大的内部比表面积的材料。活性炭由于其大的表面积、微孔结构、高的吸附能力和很高的表面活性而成为独特的多功能吸附剂。它能够有效地除去废水、废气中的大部分有机物和某些无机物，所以它在世界各国被广泛地应用于污水及废气处理、空气净化、回收稀有金属及溶剂等环境保护和资源回收等领域。活性碳纤维（ACF）是一种新型高效吸附材料，与传统的粒状活性炭（GAC）相比，ACF具有以下特点：①纤维直径细，与被吸附物质的接触面积大，增加了吸附几率，且可均匀接触；②比表面积大，约是GAC的10－100倍，吸附容量大，约是GAC的1.5－100倍；吸附、脱附速度快，ACF对气体的吸附数10s至数min可达平[1]的1/4－1/10。与表层相联的是指状的多孔层，中空纤维横截面图中空纤维指状多孔层图1中空纤维横截面与指状多孔层收稿日期:2003-09-25；修定日期:2003-10-15作者简介:付正芳（1977-），女，山东济宁人，研究生，主要从事聚丙烯腈基活性中空碳纤维的研究。碳纤维补强片材杭州索奇先进复材公司0571五期付正芳,等：中空活性碳纤维概述-33-多孔结构起到支撑的作用。壁上都具有纳米级微孔，微孔分布丰富。孔径分布比较窄，1nm以下的极微孔含量丰富。大量微孔直接开口于纤维表面，使小分子吸附质容易进入。因此是一种良好的吸附材料。由于其具有中空的结构，内外壁总的比表面积比ACF要大很多，加之丰富的微孔，可想而知ACHF的吸附性能比ACF要大的多。ACHF还具有化学稳定性好，可在高温下使用的优点。可以满足有些特别苛刻的使用要求，能用于高温气体分离、酸碱物质分离等领域。和衣康酸的三元共聚物或丙烯腈和衣康酸的二元共聚物来制取[1,3,4]，采用无机盐或聚乙二醇（PEG）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、氰基丙烯酸乙酯（ECA）等添加剂来作致孔剂，纺丝时一般采用DMF（N,N-二甲基甲酰胺）、DMAC、DMSO、ZnCl2作等为溶剂，纺丝液B的质量浓度为12－20kg/L。采用的凝固浴为水或PAN溶剂的水溶液。得到的不同前驱体对PAN基中空碳纤维的性能有很大影响。由具有大的结晶尺寸和紧密结构的前驱体生成的中空碳纤维具有高的力学性能，而由具有小的结晶尺寸和孔结构的前驱体生成的中空碳纤维，具有大的比表面积和较宽的孔分布。前种中空碳纤维主要用于碳纤维复合材料，其比表面积大的特点可以增加碳纤维与基质间的结合力，使复合材料性能提高。后种中空碳纤维主要用于吸附材料。1.2碳中空纤维原丝的预氧化和碳化尽管不同材质的中空纤维的预氧化和碳化工艺条件不尽相同，但为了预氧化及碳化它们都必须进行预处理。在预氧化中易发生纤维粘连，粘连不仅损伤纤维的表面，同时阻碍预氧化过程中反应热的释放，造成过热和纤维的断裂。为了防1ACHF的制备碳纤维的制造目前不能直接从元素碳按照一般的合成方法来制造，人们只能利用纤维素纤维、聚乙烯（PE）纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维、聚乙烯醇（PVA）纤维等各种有机高分子纤维和沥青纤维，经过预氧化、碳化等工艺间接制[2]造出有一定性能的碳纤维。由此可见，要制取ACHF，必须在制取中空纤维原丝的基础上，再经过预氧化、碳化等工艺才能得到。目前，能纺成中空纤维的有机高分子材料主要有纤维素、PAN和沥青。1.1ACHF原丝的制备ACHF原丝制备方法可分为干-湿法和熔融[2,5]止粘连可以在中空纤维表面涂敷油剂，一般有非离子表面活性剂和离子表面活性剂，如二甲基硅氧烷及各种改性硅油。所