技术领域
[0001] 本
发明涉及的一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架及其制备方法，属于活性炭材料技术领域。
背景技术
[0002] 活性炭是一种多孔性物质，
比表面积大，
吸附能
力强，耐酸
碱、耐热、不溶于
水和
有机溶剂，是一种环境友好型吸附材料和催化剂载体，广泛用于化工、环保、
食品加工、
冶金、军事化学防护等领域。活性炭产品形态主要有粉状、颗粒状和柱状，一般为一维或二维结构，三维结构加工难度大，加工成本高，难以满足市场应用的需要。
[0003] 三维结构的活性炭包括活性炭纤维毡和活性炭编制体，CN102641522A公开了“三维梯度网状
碳纤维/HA/麦饭石医用
复合材料的制备方法”，该发明
专利把
碳纤维编织成三维梯度网状碳纤维骨架。炭纤维编织体生产效率低，纤维之间的连接点不是固定连接，整体性差。
[0004] 活性炭纤维制品加工路线主要包括：利用人造纤维，经炭化与活化后，制成活性炭纤维毡、布等不同结构、形状和尺寸，这类制品生产成本高，难以制成机械强度高、大尺寸复杂结构的制品；其次是将活性炭粉负载在纤维介质上，制成不同结构、形状和尺寸的活性炭纤维制品，这类制品存在微孔堵塞的问题，整体性差，存在脱炭和不能清洗等问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种成本低、整体性好的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架及其制备方法，克服现有一维、二维和三维结构的活性炭纤维制品存在的上述技术不足。
[0006] 本发明的技术方案是：一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，该骨架包括负载或不负载触媒的以木质纤维为碳源的木质活性炭纤维和负载或不负载触媒的以
聚合物粘结剂为碳源的聚合物粘结剂活性炭，聚合物粘结剂活性炭附着在木质活性炭纤维表面，活性炭纤维之间的连接部是由所述聚合物粘结剂活性碳固定连接的，活性炭纤维呈三维多向分布，相互交织、交叉连接成为一个整体。
[0007] 前述的活性炭纤维包括以下一种或两种连接方式：
[0008] （1）木质活性炭纤维以搭接的方式连接，木质活性炭纤维连接部相互
接触；
[0009] （2）木质活性炭纤维以搭桥的方式连接，木质活性炭纤维呈空间相交，互不接触。
[0010] 本发明的一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架制备方法，包括以下步骤：
[0011] （1）三维空间网状结构的非织物预制体制作
[0012] 采用负载或不负载活化剂、活化催化剂的聚合物粘结剂，将负载或不负载活化剂、活化催化剂的木质纤维进行粘结，得到由聚合物粘结剂粘结成一体的三维空间网状结构的非织物预制体，所述木质纤维呈三维多向分布，相互交织、交叉连接；
[0013] （2）碳化和活化处理
[0014] 将所述非织物预制体进行碳化和活化处理，得到负载或不负载触媒的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架。
[0015] 前述的木质纤维包括棕榈类纤维或麻类纤维中的一种以及两种以上的纤维混合物。
[0016] 前述的木质活性炭纤维长径比为10～500。
[0017] 前述的聚合物粘结剂包括天然
植物淀粉或
树脂或
橡胶或塑料或
沥青或
煤焦油。
[0019] 本发明提供的一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，与现有技术相比，具有三维空间网状结构，整体性好、
空隙率大、
流体透过性好、不易堵塞、不结团、能清洗、不落炭、易做成复杂结构大尺寸制品，主要用于空气
净化、污
水处理、水生态修复和催化载体等领域。
[0020] 本发明提供的一种三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法，与现有人造纤维活性炭相比，原料来源广，属于可再生资源，不用人工纺丝，工艺控制简单，生产成本低，与在纤维介质上负载活性炭粉制品相比，不用载体，制品活性炭含量高。
具体实施方式
[0021] 下面通过具体的
实施例子对本发明做进一步的详细描述。
[0022] 本发明提供了一种三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，该骨架以木质纤维和聚合物粘结剂为碳源，包括由负载或不负载活化剂、触媒的木质活性炭纤维与负载或不负载活化剂、催化剂的聚合物粘结剂活性炭固定连接成一体的负载或不负载催化剂的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架。
[0023] 本发明的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，是指含碳量大于50%、BET比表面积大于120m2/g、体积
密度为0.1g/cm3～0.5g/cm3的活性炭纤维骨架。
[0024] 本发明的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，前述的木质活性炭纤维与聚合物粘结剂活性炭的
质量分数比为1：（3～0.1）。
[0025] 本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架，前述的木质纤维碳源包括山棕丝、油棕丝、椰棕丝、剑麻丝、黄麻丝、木材纤维丝、竹材纤维丝的中的一种及两种以上的混合物。
[0026] 本发明的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架，前述的山棕丝、油棕丝、椰棕丝、剑麻丝和黄麻丝，分别是从山棕叶、油棕果、椰果、剑麻叶和黄麻韧皮中分离出来的木质纤维束。
[0027] 本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架，前述的聚合物粘结剂碳源包括天然植物淀粉、树脂、橡胶、塑料、沥青和煤焦油。
[0028] 一般地，聚合物粘结剂为液态，本发明的选用的聚合物粘结剂还包括在高温下能够融
化成液体的固体粘结剂，例如，沥青颗粒、发泡塑料颗粒和聚合物纺丝纤维等。
[0029] 一般地，采用液态聚合物粘结剂，本发明的活性炭纤维骨架将以搭接的方式连接。
[0030] 一般地，采用固体聚合物粘结剂，本发明的活性炭纤维骨架将以搭桥的方式连接。
[0031] 本发明提供了一种三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法，包括以下步骤：
[0032] 首先，采用负载或不负载活化剂、活化催化剂的聚合物粘结剂，将负载或不负载活化剂、活化催化剂的木质纤维进行粘结，得到由聚合物粘结剂粘结成一体的三维空间网状结构的非织物预制体，木质纤维呈三维多向分布，相互交织、交叉连接。
[0033] 然后，将所述非织物预制体进行碳化和活化处理，得到负载或不负载触媒的三维空间网状结构的活性炭纤维骨架。
[0034] 本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法，前述三维空间网状非织物预制体中的纤维与纤维之间的粘接，主要是由空间相交的纤维在相交处聚集的粘接剂连接的。
[0035] 本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法，在一些实施例中，包括木质纤维原料和聚合物粘结剂原料的预处理，其中，木质纤维预处理包括短截、除杂和活化剂的混合等。
[0036] 在一些实施例中，本发明的木质纤维原料需要对含水率，使得纤维具有一定的卷曲度。
[0037] 在一些实施例中，本发明的木质纤维原料需要进行梳理短截纤维长度，一般地，纤维长度为10mm～350mm，直径为0.1mm～0.6mm。原则上来说，木质纤维的长度越短、直径越小，空间网状活性炭纤维骨架的均一性和
体积密度越高。
[0038] 在一些实施例中，本发明的木质纤维原料需要进行除杂处理，降低原料中Si、Al、Ca、Mg等杂质，提高活性炭的性能。
[0039] 在一些实施例中，本发明的活化剂的混合主要采取浸渍法，把ZnCl2等活化剂渗透到木质纤维的内部，一般地，浸渍时间为2～24小时，溶液
温度20℃～80℃。
[0040] 在一些实施例中，本发明的聚合物粘结剂需要对粘结剂的黏度、负载触媒等方面进行改性。
[0041] 在一些实施例中，本发明的一种三维空间网状结构活性炭纤维非织物预制体需要进行定型或密度调控，优选地，先制成平板状，再在模压状态下
热压定型并调节密度。
[0042] 前述活化方法包括物理活化法、化学活化法和化学物理活化法。
[0043] 在一些实施例中，活化剂包括KOH、ZnCl2、H3PO4、H2O和CO2。
[0044] 在一些实施例中，催化剂包括NH4H2PO4、(NH4)2SO4。
[0045] 在一些实施例中，优选地，碳化温度110℃～500℃，升温速度3℃～30℃/min，碳化时间0.5h～10h。
[0046] 在一些实施例中，优选地，活化温度350℃～1300℃，升温速度3℃～30℃/min，活化时间0.5h～10h。
[0047] 在一些实施例中，优选地，碳化和活化是连续进行的。
[0048] 在一些实施例中，本发明的三维空间网状结构活性炭纤维骨架制备方法还包括对活性炭纤维骨架进行
酸洗、水洗、脱水和改性，得到性能更加优异的三维空间网状结构活性炭纤维骨架。
[0049] 接下来，针对上述制备方法，给出几个具体实施例：
[0050] 实施例1：
[0051] 将长度为30mm～250mm、料液比1：3～5的椰棕丝，浸入60℃的ZnCl2溶液中浸渍8小时，溶液浓度为50～57波美度，pH值为1.0～3.5，离心甩干后干燥至含水率为15%～20%，得到负载ZnCl2活化剂的椰棕丝；将ZnCl2添加到天然乳胶水溶液中，得到浓度为6%的ZnCl2乳胶粘结剂；将预备好的椰棕丝输送至旋
风分离器，通过自由降落，得到厚度为30mm的纤维层；按照椰棕纤维和天然乳胶干物质重量比为1:1的用胶量，将预备好的天然乳胶均匀喷洒到纤维层上，把椰棕丝粘结成一体，然后进行干燥，得到含水率小于20%的椰棕纤维毡。将10片30mm的纤维毡进行粘结，得到厚度为300mm的椰棕毡；将厚度为300mm的椰棕毡放入模具中，在温度为140℃、15Mpa的压力下，静压30秒钟后取出，然后切边，得到密度为0.4g/cm3三维空间网状结构的柱形椰棕纤维非织物预制体。
[0052] 将柱形椰棕纤维非织物预制体放入窑炉中加热，升温速度为10℃/min，加热至300℃保温20min进行碳化；然后继续加热，升温速度为15℃/min，加热至650℃进行活化，保温30min后取出，冷却至80℃，得到三维空间网状结构的椰棕活性炭纤维板。将椰棕活性炭纤维板放入温度为80℃、HCl浓度为20%稀
盐酸溶液中浸泡1小时，离心脱水后，继续用清水冲洗至水的pH值为5至6，得到三维空间网状结构的椰棕活性炭纤维骨架。
[0053] 结果表明，该活性炭纤维骨架含碳量96%，木质活性炭纤维与聚合物粘结剂活性炭的质量分数比为1：0.4，BET比表面积1000m2/g。
[0054] 该活性炭纤维骨架适用于活性炭纤维净水
滤芯。
[0055] 实施例2：
[0056] 将长度为30mm～250mm的油棕丝进行干燥至含水率15%～20%；将沥青进行融化，得到沥青粘结剂。将预备好的油棕丝输送至旋风分离器，通过自由降落，得到厚度为20mm的纤维层；按照油棕丝和沥青质量比为1:1.5的比列用量，将预备好的沥青粘结剂均匀喷洒到纤维层上，把纤维束粘结成一体。将厚度为20mm的油棕片放入压力机下，在温度为120℃、5Mpa的压力下，静压10秒钟，经切割，得到密度为0.3g/cm3的油棕丝非织物预制体。
[0057] 将油棕丝非织物预制体放入窑炉中加热，升温速度为10℃/min，加热至450℃～600℃保温90min进行碳化；然后继续加热，升温速度为15℃/min，加热至800℃～950℃，连续通入300℃～400℃的
过热水蒸气进行活化，保温120min后取出，冷却至室温，得到空间网状结构的油棕活性炭纤维板。
[0058] 将油棕活性炭纤维板放入温度为45℃的
氨水溶液中浸泡浸泡1小时，离心脱水后，干燥，得到油棕活性炭纤维骨架。
[0059] 结果表明，该活性炭纤维骨架含碳量93%，木质活性炭纤维与聚合物粘结剂活性炭的质量分数比为1：1.2，BET比表面积900m2/g。
[0060] 该活性炭纤维骨架适用于
膜生物反应器活性炭生态纤维板。
[0061] 实施例3：
[0062] 将剑麻进行梳理，制成长度为50mm～100mm的剑麻丝；将预备好的剑麻丝和PP发泡颗粒输送至旋风分离器，通过自由降落，得到厚度为20mm的剑麻纤维毡。将厚度为20mm的剑麻纤维片放入压力机下，在温度为150℃、0.5Mpa的压力下，静压10秒钟，经切割，得到密度为0.2g/cm3的剑麻纤维预制板。
[0063] 将剑麻纤维预制板放入窑炉中加热，升温速度为10℃/min，加热至350℃保温60min进行碳化；然后继续加热，升温速度为15℃/min，加热至850℃，连续通入高温CO2气体活化，保温60min后取出，冷却至室温。
[0064] 结果表明，剑麻活性炭纤维骨架含碳量97%，木质活性炭纤维与聚合物粘结剂活性炭的质量分数比为1：0.1，比表面积为1200g/cm3。
[0065] 该活性炭纤维骨架适用于空气过滤网。
[0066] 需要说明的是，所有的步骤中采用的制备方法都可以借助现有设备进行。
[0067] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
