[发明专利]一种偏氯乙烯聚合物基中孔-微孔复合多孔炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学工程技术领域，尤其涉及一种偏氯乙烯聚合物基中孔-微孔复合多孔炭的制备方法。 

  

背景技术

多孔炭材料广泛应用于环境保护、医学、新能源等许多领域。国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)依据多孔炭的孔径尺寸，将多孔炭分为：微孔炭(孔径尺寸小于2nm)、中孔炭(2~50nm)和大孔炭(>50nm)。目前工业化生产和应用的多孔炭以微孔炭为主。由于微孔炭的孔径小，不能用于尺寸较大的污染物(如生物和合成大分子物质)的吸附分离；作为超级电容器电极材料时，不利于电解液的迅速渗透和自由扩散，严重影响了超级电容器的功率特性。中孔炭属于新型多孔炭材料，具有孔径大、比表面积大和孔容高等特点，可用作废水中有机大分子(如染料、生物质和聚合物等)的吸附分离剂、催化剂载体、传感器、燃料电池和超级电容器的电极材料等，在环保、工业催化和新能源等领域具有广阔的应用前景。 

在多孔炭中引入中孔的方法有：催化活化法、有机凝胶炭化法和模板剂法等，采用前两种方法制备的多孔炭的中孔孔径分布较宽。模板剂法是20世纪90年代发展起来的制备高中孔率多孔炭的新方法，根据模板剂特性的不同，模板剂法又可分为无机模板剂(硬模板剂)法和有机模板剂(软模板剂)法。无机模板剂通常为无机纳米粒子，如纳米氧化硅、纳米金属氧化物粒子等等。通过溶液复合、熔融复合和原位聚合实现无机模板粒子与炭前驱体(碳源)的复合，将炭前驱体/无机模板粒子复合材料高温炭化、刻蚀去除无机模板粒子即可在多孔炭中形成中孔结构。采用无机模板法可以制备中孔孔径分布窄、中孔率高和比表面积大的多孔炭。 

能用作炭前驱体的材料很多，包括煤、沥青、蔗糖、天然高分子(如植物果壳、秸秆等)和合成高分子材料等。以合成高分子材料为炭前驱体制备的多孔炭材料具有纯度高等优点，而且由于高分子材料成型加工方便，可根据需要得到不同形状(如膜、纤维状等)的多孔炭材料。能用作炭前驱体的高分子材料有：酚醛树脂、丙烯腈聚合物、偏氯乙烯(VDC)聚合物等。以酚醛树脂和丙烯腈聚合物为炭前驱体制备多孔炭材料，一般需在前驱体炭化后再用活化剂(如水蒸汽、二氧化碳、碱或磷酸等)进行活化，其中活化过程成本高、操作复杂。以偏氯乙烯(VDC)聚合物为炭前驱体，可以不经活化就制得多孔炭材料，因此近年来受到很多研究者的关注。但是，偏氯乙烯(VDC)聚合物直接炭化，得到的仍是以微孔为主、中孔率很低的多孔炭。以偏氯乙烯(VDC)聚合物为炭前驱体，以无机纳米粒子作为模板剂，通过直接炭化、刻蚀去模板后可获得高中孔率的多孔炭材料。为了提高偏氯乙烯(VDC)聚合物的可加工型，通常采用含少量第二单体的偏氯乙烯(VDC)共聚物为炭前驱体，常用的第二单体有丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸乙酯、衣康酸及其酯类或酰胺类衍生物等。 

无机模板剂多采用纳米氧化硅、氧化硅溶胶和氧化硅分子筛。纳米氧化硅容易团聚，在与炭前驱体复合过程中如不能实现初级粒子尺度的均匀分散，则实际起模板作用的是尺寸大的纳米氧化硅团聚体，导致炭材料内部大孔的形成，使中孔率和孔比表面积降低。直接采用硅溶胶，模板粒子的团聚较轻，但为了制备得到孔径分布均匀的中孔炭，仍需防止模板剂与炭前驱体复合过程中的团聚，采用的主要方法是对纳米氧化硅溶胶粒子进行表面改性。