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静电纺PAN纳米活性碳纤维吸附性能研究

仇群仁  
【摘要】:静电纺丝(Electrostatic Spinning)是目前制备纳米级纤维的基本方法,静电纺聚丙烯腈纳米活性碳纤维(PAN Nano-ACF)作为一种新型纤维状碳质材料,目前学界对其结构和吸附性能的研究还较少,国内外尚未有文献报道。 本文在前人研究的基础上,利用自制的静电纺丝设备纺制PAN纳米纤维,研究了各纺丝工艺参数对纤维直径和离散度的影响,并通过正交试验得出了可稳定纺出粗、中、细三种不同直径的PAN纳米纤维的最佳工艺条件。在此基础上研究了PAN纳米纤维的预氧化工艺,得出最佳预氧化条件,再通过炭化活化制备出PAN纳米活性碳纤维。经比较得出在600℃活化处理3 min所得产品的活化得率及比表面积较为理想。 本文以扫描电子显微镜(SEM)、TG-DSC热分析、红外光谱(IR)分析、比表面积及孔隙度分析为主要表征手段,较为系统地研究了PAN纳米纤维原丝的性能及PAN纳米活性碳纤维制备各个阶段纤维的表面形态和结构性能的变化,结果表明:(1) PAN纳米纤维毡的断裂强力、断裂伸长率随纤维直径的增大而增加;纤维毡的透气性能在纺丝体积一定时随纺丝液浓度的增加而增加;纤维毡的芯吸效应在纺丝液浓度一定时随纺丝体积的增加而增强。(2)最佳预氧化工艺为:以5℃/min速率升温至100℃后,每升高30℃恒温20min,最高升至230℃。经预氧化处理后,PAN纳米纤维表面形态及分子链发生一系列变化,这主要与纤维内大分子链发生环化反应有关。(3)PAN纳米纤维经炭化活化处理后,纤维内大分子链发生脱氢反应及热裂解反应;活化时间的控制对制备高比表面积的PAN纳米活性碳纤维十分重要,还应注意活化时间对产品得率的影响;制得的PAN纳米活性碳纤维孔隙以微孔为主,部分孔径在亚微孔范围。 本文对PAN纳米活性碳纤维的吸附性能及制备工艺对PAN纳米活性碳纤维吸附性能的影响作了研究,结果表明:(1) PAN纳米活性碳纤维对苯吸附160min后达到饱和状态。(2)活化时间延长制得的PAN纳米活性碳纤维活化程度加深,比表面积相应增大,孔径变宽,孔容积增大,对N2吸附平台增高。(3)PAN纳米活性碳纤维对四氯化碳和水溶液中碘的吸附率分别为85.82mg/g、1270mg/g。


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