[发明专利]基于废旧纤维素纤维的碳材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及废旧纺织品综合利用技术领域，特别是涉及一种纤维素纤维的回收利用方法。

背景技术

纤维素纤维是纺织业的重要原料之一。我国每年纤维素纤维消耗高达2600万吨，且生产环节产生的大量纺织边角料和家庭废弃的纤维素纺织品合计超过800万吨。我国目前对废旧纤维素纤维的处理方法主要是直接掩埋或焚烧，只有不足0.1%的废旧纤维被综合利用，这与西方发达国家（英国、日本、德国等）16%以上的废旧纺织品回收利用率相差较大。纺织品被废弃后，会对环境造成一定的污染，不能降解的造成持久性污染，有些虽然可以降解，但对水、大气造成环境污染，而焚烧同样会对大气环境造成污染。

与此同时，天然纤维总产量逐年减少，全球石油储量也只能开采40余年，这势必将造成纺织原材料的资源紧缺。因此，做好废旧纤维素纺织品的综合利用，不仅可以有效补充我国纺织行业的原料供给，还可以节约用地、减少环境污染。这些废旧的纺织品如果能够成为高附加值的功能材料，将会为废旧纤维素纤维的利用提供新的机遇，为低碳生产作出宝贵的贡献。

目前废旧纤维的回收利用主要是将其机械粉碎后，应用于清洁用品、个人护理品、工业用品、纸品等这些低档产品的制备上。因此，如何进一步高效的回收利用废旧纤维素纤维，开拓废旧纤维的新回收利用技术，提高其利用价值，是我们面临的重要课题之一。

利用纤维素材料制备的碳材料有碳纤维、碳微球、分子筛和活性碳材料等，其主要制备方法采用的是水热法，比如俞书宏等(Dalton Trans., 2008, 40: 5414-5423)、谭三香等(无机材料学报, 2010, 3: 299-305)以生物质或蔗糖为原料制备了炭基材料。水热法温度低、操作简单，但存在制备的产物副产物多、不宜分离的缺点。因此，一些研究者通过后续高温处理来达到提高产物纯度的目的，如Huang等(Solid State Ionics, 2005, 176: 1151-1159)以蔗糖为原料，通过水热处理和氩气保护下的高温碳化处理制备单分散的实心碳球；德国的Maria- Magdalena Titirici小组(M. Adv. Funct. Mater, 2007, 17, 1010)和西班牙的M.Sevilla(CARBON, 2009, 47: 2281-2289)采用壳聚糖、葡萄糖作为原料，用水热处理结合高温煅烧的方法制备了掺氮碳质材料。然而，增加高温处理无疑会使制备时间增长、成本增加。

以上方法使用的都是分子量较小的纤维素材料，而对于纤维素纤维这种高分子聚合物，特别是棉纤维素纤维，由于其结晶度很高，在水热环境下制备碳材料会需要更高的温度及时间，并且副产物也会更多，需要后续更复杂的分离和提纯，这无形中也增加了制备的成本。但是上述研究还是为纤维素纤维制备碳材料奠定了基础。

纤维素纤维的主要成份就是纤维素(接近100%)，其元素组成为碳44.44%、氢6.17%、氧49.39%，是含碳量较高的物质之一。因此，废旧纤维素纤维完全可以作为碳源来制备碳材料。

同时，以上研究者制备的碳材料基本上都是微球结构形貌，并且制备过程需要两步来完成。而相对于碳微球，碳纤维和碳纳米线的使用范围更广、附加值更高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于废旧纤维素纤维的碳材料制备方法，通过本发明方法能够同时获得碳纤维和碳纳米线两种碳材料产品。

本发明基于废旧纤维素纤维的碳材料制备方法是利用废旧纤维素纤维同时制备碳纤维和碳纳米线，所述方法在管式炉反应器内进行，具体方法包括：

1) 将废旧纤维素纤维分别在5～25wt%的碳酸钠溶液和5～40wt%的氯化铝溶液中充分浸渍后，滤去水分并干燥；

2) 在管式炉反应器内设置不同温度的两个反应区，其中中温区温度450～700℃，高温区温度900～1200℃；

3) 将浸渍后的废旧纤维素纤维置于管式炉反应器的中温区，并在高温区放置镍铁混合催化剂，向管式炉反应器内通入保护性惰性气体，使气体由中温区向高温区移动，在中温区和高温区分别进行碳化反应；

4) 收集两个反应区各自的黑色产物，分别得到碳纤维和碳纳米线。

本发明中，所述的纤维素纤维包括天然纤维素纤维和再生纤维素纤维。

其中，将所述废旧纤维素纤维在碳酸钠溶液和氯化铝溶液中各浸渍5～60min。

本发明中，优选地，所述碳化反应的时间为10～60min。