东华大学应用化学《功能高分子及应用》课程作业精选 .pdfVIP

48.什么是活性碳纤维？其制备工艺可归纳为哪三个主要阶段？

答：活性碳纤维是以高聚物纤维为原料，经高温碳化和活化而制备的一种纤维状高效吸附分

离材料。

49.什么是碳化得率？什么是活化得率？

碳化纤维的质量

碳化得率（%）*100%

答：原料纤维的质量

活性碳纤维的质量

活化得率（%）*100%

原料纤维的质量

50.简述纤维素纤维碳化过程的化学结构变化。

答：通过对FTIR,XRD等一系列现代分析技术研究结果的总结，人们对纤维素纤维的碳化机

理描述为四个反应阶段：

第一阶段（25-1500C），吸附水分的物理脱水；

第二阶段（150-2400C），纤维素化学脱水失去-OH，同时形成-C=O基团；

第三阶段（240-4000C），脱离原子团反应。纤维上的C-O-C和C-C键被破坏，析出

H2O,CO,CO2等，并进一步反应形成共轭C=C双键或芳香族核结构（四碳原子基团）；

第四阶段（4000C以上），芳香族化。由于脱氢，脱甲烷等反应的进行，芳香族核间大量

结合；随之发展成类石墨片层的平面结构。

简述过程：物理脱水—化学脱水—脱离原子团反应形成共轭C=C双键或芳香族核结构—

芳香族化形成石墨片层的平面结构。

51.简述聚丙烯腈纤维碳化过程中的结晶变化。

答：聚丙烯腈纤维碳化过程主要经历三个反应阶段：预氧化阶段，低温反应阶段（预氧化温

度低于7000C）、高温反应阶段（7000C以上）。

简述过程：脱氢环化形成梯形高聚物—进一步环化形成类石墨平面结构—分子链交联碳

网平面增大。

52.简述碳化-活化过程中的结晶结构变化。

答：采用XRD、金相显微镜等方法研究发现，粘胶纤维及粘胶接枝聚丙烯腈共聚物在升温

碳化时，在250-3100C之间发生原纤维结晶的破坏和类石墨微晶生成的转变。

在活化反应过程中，纤维的结晶结构不仅没有破坏，而从XRD的结果来看，晶粒尺寸

反而略有增大。

53.请从元素组成、表面化学官能团和体相结构三方面简述活性碳纤维的化学结

构特点。

答：元素组成：

活性碳纤维主要由碳原子组成，碳元素含量约80%以上，还含有微量氢（约0.4%-1.9%），

少量氧（2%-20%），部分活性碳纤维还含有少量N、S等杂原子。活性碳纤维的元素组成（特

别是表面元素组成）对性能有影响。人们认为含氮基团对含硫有机物（SO2,H2S,丁基硫醇）

等具有特殊吸附能力。

表面化学官能团：

活性碳纤维的表面碳和氧元素结合形成了一系列表面含氧官能团：酚羟基、醌基、酮基、

羧基、酸酐等；另外，氮元素主要以氨基、亚氨基和类吡啶等结构存在；还有C-H结构，

部分时比较活泼的，在氧化还原反应中起重要作用。

体相结构：

活性碳纤维中的碳元素除了表面部分形成C-O、C-N、C-H等结构外，绝大部分在体相

构成了纤维的骨架。体相的碳原子主要以类石墨平面片层的大共轭结构形式存在，构成类石

墨微晶，乱层堆叠，无各向异性现象。

54.简述活性碳纤维的物理织构特征。

答：发达的比表面积，丰富的微孔，均匀而小的孔径是活性碳纤维区别于其它多孔材料的重

要织构物征。

比表面积：1000-3000m2/g，巨大的表面积赋予其高的吸附容量。

孔结构：孔径1nm左右，微孔占总孔体积90%以上，没有过渡孔和大孔，孔径小而且单分

散，微孔直接分布于纤维表面。

55.请从孔结构论述活性碳纤维比传统粒状活性炭具有更高的吸附和解吸附速

度的原因。

答：活性碳纤维的孔结构特点是：微孔占总孔体积90%以上，没有过渡孔和大孔，孔径小

而且单分散，活性炭纤维的孔径与大多数时在1nm左右，使得吸附分子进入微孔时被所有

孔壁向内辐射的引力所握持，导致吸附质分子在微孔中的体积填充而不是单纯的表面吸附，

因此，不仅吸附量大，而且吸附力强。活性炭纤维的而另一个孔结构特点时微孔直接分布于

纤维表面。这使它们吸附可以直接和吸附质接触，吸附和解吸附路径很短，因而赋予它高的

吸附和解吸速度。而粒状活性炭，吸附质必须经过大孔、中孔才能到达微孔吸附中心，因此，

粒状活性炭的吸附和解吸附的速度要比活性碳纤维的慢。

56.简