活性炭纖維紙的制備、結(jié)構(gòu)及性能研究

1、第 27 卷 第 4 期2000 年北 京 化 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL T ECHNOLOGYVol. 27, No. 42000活性炭纖維紙的制備、 結(jié)構(gòu)及性能研究馬智勇? 楊小平? 王成忠( 北京化工大學(xué)碳纖維及復(fù)合材料研究所, 北京? 100029)摘? 要: 采用濕法造紙工藝 制備活性炭纖維紙( ACFP) , 探討了分散劑、 活性炭纖維與紙漿纖維配比

2、對活性炭纖維紙的透氣度、 抗張強(qiáng)度、 比表面積和微孔體積的影響。結(jié)果表明, 分散劑可增加 ACFP 的抗張強(qiáng)度而對透氣度影響較小, 隨活性炭纖維含量的增加, ACFP 的透氣度增加而抗張強(qiáng)度下降, ACFP 具有與活性炭纖維類似的孔徑大小和孔徑分布, 二者的氮?dú)馕降葴鼐€均為 I 型等溫線, 吸附機(jī)理均為微孔填充, ACFP 的形態(tài)結(jié)構(gòu)為無序隨機(jī)排列。關(guān)鍵詞: 活性炭纖維紙; 活性炭纖維; 結(jié)構(gòu)與性能中圖分類號: TQ 342. 74收

3、稿日期: 2000 -03 -02第一作者: 男, 1973 年生, 碩士生引 ? 言活性炭纖維( Activated Carbon Fiber,ACF) 以其微小的孔徑尺寸、 狹窄的孔徑分布、 大的比表面積和表面含氧、 氮或其它官能團(tuán)等優(yōu)異的性能在污水處理、 水深度凈化、 有機(jī)溶劑回收、 氣體凈化、 大容量雙層電容和燃料電池等方面得到了廣泛的研究, 被認(rèn)為是新世紀(jì)最有發(fā)展前景的吸附分離功能材料。但迄今為止, 活性炭纖維的應(yīng)用遠(yuǎn)低于活性

4、炭, 雖然活性炭纖維價(jià)格較高是制約因素之一, 但缺少對活性炭纖維的使用形態(tài)、 再生與使用壽命、 結(jié)構(gòu)與化學(xué)改性及功能化等方面的研究也是影響其廣泛應(yīng)用的一個(gè)原因?；钚蕴坷w維的使用形態(tài)有氈、 布和紙, 目前在活性炭纖維氈和布方面已進(jìn)行了較廣泛的研究和應(yīng)用[ 1, 2] , 但有關(guān)活性炭纖維紙的研究和應(yīng)用, 見諸報(bào)道的不多[ 3] 。為此, 本文采用濕法成型造紙工藝制備活性炭纖維紙( Activated Carbon Fiber Paper,

5、ACFP) , 研究 ACFP 的配方、 結(jié)構(gòu)與性能之間的規(guī)律, 為進(jìn)一步研究 ACFP 的功能化和復(fù)合化打下基礎(chǔ), 以期達(dá)到降低成本、 方便加工與使用及拓展功能的目的。1 ? 試驗(yàn)部分1. 1 ? 原? 料瀝青基活性炭纖維, BET 比表面積為 1 260m2/ g, 鞍山東亞碳纖維有限公司生產(chǎn); 紙漿板, 加拿大產(chǎn)本色漿板; 分散劑, 聚丙烯酰胺( PAM ) , 分子量1 800 萬, 自制。1. 2 ? ACFP 的制備選取一定

6、量的漿板, 在國產(chǎn) 23 L 荷蘭式打漿機(jī)上打漿, 固定打漿濃度、 疏解時(shí)間、 下刀時(shí)間及打漿比壓等工藝條件, 制得叩解度為 17~ 23 ?SR 的紙漿。視不同的實(shí)驗(yàn)條件添加分散劑和 ACF, 固定攪拌時(shí)間得到混合漿液。然后在德國產(chǎn) Frank 牌抄片器上抄片, 烘干, 制得 ACFP。1. 3 ? 性能測試1. 3. 1 ? ACFP 的透氣度和機(jī)械強(qiáng)度 ? 透氣度采用YG 461 型織物中壓透氣量儀( 寧波紡織儀器廠) , 在壓力

7、 0~ 3 922?33 Pa 的條件下測試; 抗張強(qiáng)度采用ZLL- 30 型紙張拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)( 四川宜賓造紙廠) , 按GB 453 ? 89 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試, 樣品長 100 mm, 拉力0~ 294?20 N。1. 3. 2 ? 比表面積、 微孔體積和孔徑分布 ? 用美國M icromeritics Instrument 公司ASAP 2000 型自動(dòng)吸附儀測試, 采用容量法以氮?dú)鉃槲浇橘|(zhì), 在液氮溫度( 77 K) 下進(jìn)行吸附,

8、測得的吸附等溫線用 BET 法計(jì)算比表面積和微孔體積, 用 DFT 理論[ 4] 計(jì)算孔徑分布。1. 3. 3 ? 表面形貌觀察 ? 將 ACFP 粘于樣品臺上, 樣品真空鍍金后用掃描電鏡( S- 250 型, 英國劍橋大學(xué)) 觀察。? ? ACFP 的比表面積和微孔體積的保留率的含義為: ACF 成紙后,ACFP 的比表面積和微孔體積分別除以相應(yīng)的 ACF 的比表面積和微孔體積。不同的PAM 用量對 ACFP 的比表面積和微孔體積的保

9、留率影響不大( 如表 2 所示) , 說明可以通過固定其它工藝條件, 用改變 PAM 用量來提高 ACFP 的強(qiáng)度,同時(shí)對其比表面積無太大的影響。還可以看出, 當(dāng)w (ACF) = 60% ~ 70% 這一范圍時(shí), ACFP 的比表面積保留率有較大的提高, 這說明在成紙過程中,w (ACF) > 70% 時(shí)對保持 ACFP 的比表面積更為有利。表 2 ? ACFP 的比表面積和微孔體積的保留率Table 2 ? The hold

10、rat io of surface area andmicropore volume of ACFP組成 m / g 比表面積保留率/ % 微孔體積保留率/ %ACF PU LP A B A B50 50 52?94 51?67 61?75 59?5160 40 53?73 56?35 61?93 68?5670 30 67?46 64?44 80?54 78?6280 20 76?59 71?59 91?80 90?812?3 ? A

11、CF 與 ACFP 的孔徑分布比較ACFP 具有與 ACF 類似的孔徑和孔徑分布( 見圖 2) , 二者的孔徑均在 0?733 nm 附近存在最大頻度分布, 都有四個(gè)峰值。而且 ACFP 中的孔仍然是微孔。由于在成紙過程中, ACF 與纖維素纖維無序混合, 使ACF 上的部分微孔被纖維素纖維遮蓋, 故其相應(yīng)累積孔容減小。圖 2 ? ACF 與 ACFP 的孔徑分布圖Fig. 2 ? Pore size distribution of A

12、CF and ACFP2?4 ? ACFP 的形態(tài)結(jié)構(gòu)從ACF 的不同放大倍數(shù)的 SEM 照片( 圖 3) 可以看出, 分散劑 PAM 明顯存在于 ACF 與纖維素纖維的表面, ACF 與纖維素纖維雜亂無章地搭接在一起, 形成無序排列, 且纖維素纖維呈現(xiàn)為扁平狀外觀, 其外形尺寸大于ACF 的直徑。 ACF 在ACFP 中均勻地?zé)o規(guī)分散; 在ACFP 中存在著大量縫隙, 可將其看作大孔, 是吸附質(zhì)分子進(jìn)出 ACFP 的孔道。( a)(

13、b)圖 3 ? ACFP 的 SEM 照片F(xiàn)ig?3 ? SEM micrograph of ACFP2?5 ? ACF 與 ACFP 的氮?dú)馕降葴鼐€ACF 與 ACFP 的氮?dú)馕降葴鼐€( 見圖 4) 均屬于 BDDT 五類等溫線中的第一類等溫線, 即 I 型等溫線。I 型等溫線以具有一個(gè)平臺為特征, 平臺幾乎水平或完全水平。隨著飽和壓力的達(dá)到, 等溫線或者陡峭地與 p / p 0= 1 軸相交, 如 ACF 的吸附等溫線; 或者表

14、現(xiàn)為一條? 拖尾?, 逐漸與壓力軸相交,如 ACFP 的吸附等溫線。從圖 4 還可以看出, ACF沒有滯后回線, 而 ACFP 既可能顯示確定的滯后回線, 也可能沒有滯后回線。雖然 ACFP 顯示確定的滯后回線, 但吸附線與脫附線相距很近, 可以認(rèn)為低壓滯后作用與吸附劑無關(guān), 而取決于與吸附作用同時(shí)發(fā)生的粒子的泡脹作用。由于 ACF 與 ACFP 表? 42 ? 北 京 化 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?