[发明专利]一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维技术领域，具体涉及一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法。

背景技术

活性炭纤维(ACF)，亦称纤维状活性炭，是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。其超过50％的碳原子位于内外表面，构筑成独特的吸附结构，被称为表面性固体。它是由纤维状前驱体，经一定的程序炭化活化而成。较发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量，且由于它可方便地加工为毡、布、纸等不同的形状，并具有耐酸碱耐腐蚀特性，使得其一问世就得到人们广泛的关注和深入的研究。

活性炭纤维的应用相当广泛，可用于有机溶剂的回收装置，水的净化，有害有毒气体的去除和净化及电子电器材料等。

日本是开发活性炭纤维最早的国家，日本的东洋纺织公司1975年实现了活性炭纤维的工业化生产。在20世纪70年代，日本已开始将有机物炭化技术的研究成果用于环境保护等方面，该研究受到各国开发研究人员的密切关注，现已成为当代世界开发的热点项目之一。日本已进入活性炭纤维工业化的发展时期，总产能力为千吨。

我国从80年代开始投入力量进行活性炭纤维的研究，到90年代末开始进入工业化生产时期，总产能力为百吨。目前，我国对活性炭纤维的生产与开发还仅处于初始阶段，其应用领域还很有限，在水处理、工厂空气净化、化学物质吸附等方面应用的市场开发潜力极大，随着环境保护各项法规的进一步建立与完善，以及绿色化学时代的到来，ACF必将呈现光明的发展前景。

目前用于生产活性炭的基体材料主要是聚丙烯腈(PAN)与粘胶纤维。但是，在生产过程中由于以丙烯腈为单体，本身具有较大的毒性，再加上在碳化过程中会产生氰化氢、一氧化碳、氨气以及氮氧化合物等高度危害性气体，对环境以及人体的伤害比较大。

聚偏氯乙烯(PVDC)是一种无毒聚合物，其分子结构分析显示它是一种可用于制备碳纤维的较好材料，并且由于它的分解产物为氯化氢，易溶于水，可以进行回收利用得到盐酸。因此，有望采用聚偏氯乙烯代替聚丙烯腈制备活性碳纤维。

但是，以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维时，需要经历以下低温处理与高温处理两个过程最终转换为碳纤维：

(1)在低温过程中，每个偏氯乙烯分子失去一个氯化氢分子，得到一系列的共轭双键；

(2)在低温过程中，发生Diels-Alder反应形成环并且继续脱除氯化氢。

目前，上述低温反应过程所需的时间较长，导致活性碳纤维的生产周期较长，甚至达到7天。因此，为了促进聚偏氯乙烯代替聚丙烯腈制备活性碳纤维，实现其产业化应用，急需探索一种以聚偏氯乙烯为基体生产活性碳纤维，并且能够缩短生产周期的有效方法。

发明内容

本发明的技术目的针对上述以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维时存在的制备周期长的问题，提供一种以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，该方法不仅能够大大缩短活性碳纤维的生产周期，还能够有效减少在热处理过程中影响碳纤维强度的副反应，从而提高碳纤维的强度和模量，同时该制备方法能够大大减少有毒气体对环境以及人体的伤害。

本发明实现上述技术目的所采用的方案为：以聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1、制备聚偏氯乙烯原丝：

按照质量份数计，将100份的聚偏氯乙烯树脂、3～7份的增塑剂以及2～5份的热稳定剂混合均匀后通过熔融挤出机熔融挤出后通入10℃以下的水浴进行淬火，然后采用冷拉牵伸，得到聚偏氯乙烯原丝；

所述的聚偏氯乙烯树脂是由偏氯乙烯单体与氯乙烯单体共聚得到，其中偏氯乙烯单体的质量百分比含量为83％～95％，优选含量为85％～90％；

步骤2、聚偏氯乙烯原丝的低温预氧化处理：

将步骤1处理后的聚偏氯乙烯原丝放入微波加热设备中进行加热处理在135～145℃的条件下加热处理12～24小时，使每个偏氯乙烯单体与氯乙烯单体脱去一个氯化氢气体，得到共轭双键；

步骤3、聚偏氯乙烯原丝的高温碳化处理：

将步骤2处理后的聚偏氯乙烯原丝放入碳化炉中，在氮气保护条件下，以40～80℃/h的恒定升温速率由室温升至850℃～1000℃，并且保温8～12小时，所述的共轭双键环化得到多孔活性碳纤维材料。

上述技术方案的步骤1中：