[发明专利]一种聚丙烯腈基中空中孔碳纤维的制备方法

说明书

本发明提供了一种聚丙烯腈基中空中孔碳纤维的制备方法是将木质素和聚丙烯腈溶解于溶剂中在25‑80℃脱泡，得到的纺丝液通过圆形喷丝板喷入凝固浴中，于纯水中进行热牵，得到中空中孔初生纤维，再经过水洗、干燥、预氧化、碳化得到聚丙烯腈基中空中孔碳纤维。本发明具有对中大分子分离吸附效果好，抗溶剂性好，使用寿命长的优点。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维的制备方法，具体涉及一种聚丙烯腈基中空中孔碳纤维的制备的方法。

背景技术

19世纪60年代，杜邦公司首次实现中空纤维的工业化，中空纤维登上历史舞台。因其特殊的中空结构的存在使得纤维具有了许多优异的性能，如比表面积大、渗透速度快、质量轻、选择渗透性好、吸附能力强，在许多领域包括气体分离、废水处理、能量存储、生物燃料的生产和渗透汽化等领域发挥了至关重要的作用。但是，在使用过程中也存在着一定的问题，如材料的抗溶剂性能差，容易破裂乃至失效；高温等恶劣环境下使用寿命短；用于分离的物质主要集中在小分子上，对中大分子的分离和吸附应用的种类还是很少；……

目前，大多数中空纤维主要应用在对小分子的分离吸附纯化等方面，诸如水处理过程中金属离子的富集和去除、二氧化碳的捕获，这就要求膜材料不仅需要其孔径结构均一而且需要大量微孔的存在，很大程度上促使研究者将目光放在微孔结构的调控上。而孔径大小在2-50nm范围内的介孔在催化领域有中大分子参与的反应、生物医药领域中生物酶和蛋白质的分离、环保领域中有机废料的降解、储能领域中燃料电池的电极、纳米反应器等有着其独特的应用，有着广阔的应用前景。考虑到当下中空纤维用于分离的物质主要集中在小分子上，对中大分子的分离和吸附应用的种类还是很少这个现状，如果可以把介孔和中空纤维结合起来，制备一种中空中孔纤维，这样就可以结合二者优势，不仅可以丰富材料种类，而且可以弥补在中大分子分离吸附材料缺乏的遗憾。

当前，制备中空纤维的材料主要有聚偏氯乙烯、聚醚砜、聚氯乙烯、聚砜、聚酰亚胺和聚丙烯腈等。在这些高分子材料中，聚丙烯腈(PAN)因为材料强度高、可重复利用、使用寿命长、抗有机溶剂性好，成为制备中空纤维一种十分重要的原材料。选择聚丙烯腈作为原材料来制备中空纤维是一种不错的选择。虽然说选择聚丙烯腈改善了材料的强度，但是这种改变不是很大。基于这一点，如何进一步增强纤维的力学性能仍值得深思。碳纤维作为一种新型的非金属材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀等一系列优势，因此，如果可以将得到的中空中孔纤维氧化碳化，从而获得中空中孔碳纤维不失为一种良策。

与现有中空活性碳纤维相比，结合以上所述，中空中孔碳纤维是一种轴向具有中空结构、壁上含有2-50nm介孔的碳纤维。而要得到这种材料，需要从原丝制备技术、后续加工处理等多方面进行调控。

在原丝制备技术上，当前制备中空纤维的手段主要有熔融纺丝、湿法纺丝、干喷湿纺、同轴静电纺丝等等。熔融纺丝是制备中空纤维最常用的方法，通过专门的喷丝板设计，诸如C-形喷丝板，来实现中空结构，但是由于聚丙烯腈熔点高于其分解温度，这种方法不在适用。干喷湿纺和静电纺丝通过添加芯流体或者第二组分之后除去来得到中空纤维，一定程度上增加了工艺难度，同时静电纺丝得到的纤维产量低、分离困难，限制了它们的应用。湿法纺丝作为传统的制备方法，因其易于放大，可以用于制备中空纤维。

而在后续处理过程中，中空活性碳纤维的制备过程一般包括了预氧化、碳化和活化的步骤。活化的目的就在于对纤维孔结构进行调控，通常在800℃以上的高温采用与水蒸气或二氧化碳相互作用来实现。活化温度高也就意味着能耗高，二氧化碳或水蒸气等添加剂的使用也使得工艺变得繁琐，这在生产过程中是不利的。

发明内容

本发明的目的是克服现有的问题，提供一种中空纤维对中大分子分离吸附效果好，抗溶剂性好，使用寿命长的湿法纺丝制备聚丙烯腈基中空中孔碳纤维的方法。