纳米活性碳纤维及其制备

活性碳纤维是以有机纤维为前驱体，通过不同方法制得的一种新型功能性纤维，其具有成型性好，耐酸、碱，电导性与化学稳定性好等特点。活性碳纤维不仅比表面积大、孔径适中、分布均匀、吸附速度快，而且具有多种形态。活性碳纤维在催化、吸附方面表现出独特的性能特征，加之本身所具有的孔结构、孔分布、微孔表面积以及表面化学等特征，使之具有ji大的开发价值。

纳米活性碳纤维是一种表面纳米粒子，是由不规则的结构与纳米空间混合组成的体系。由于其纤维直径细，与被吸附物的接触面积大且均匀，吸附材料可以得到充分利用。纳米活性碳纤维吸附效率高，且具有纤维、毡、布和纸等各种纤细的表态，孔隙直接开口在纤维表面，缩短了吸附质到达吸附位的扩散路径，且该材料本身的外表面积较内表面积高出两个数量级。纳米活性碳纤维具有微孔形结构，孔径分布窄，特殊的细孔呈单分散分布，由不同尺寸的微细孔隙组成其结构，中孔、小孔扩散呈现出多分散型分布，在各细孔结构中的差别较大，其主要原因是由于原料的不同。在纳米活性碳纤维中无大孔，只有少量的过渡孔，微孔分布在纤维表面，因此吸附速率较快，纳米活性碳纤维丝束的空间起大孔作用，可以对气相与液相物质进行较好的吸附作用，活性碳纤维外比表面积大，吸脱速度快，为粒径活性炭10～100倍。细孔的平均孔径和细孔容积随着比表面积增大而增加，吸附容量也随之增大，为粒状活性炭的10倍，因此，纳米活性碳纤维可用于吸附处理低浓度废气或高活性的物质。

纳米活性碳纤维还具有体积密度小、滤阻小、可吸附黏度较大的液态物质，且动力损耗小的特点。

按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的分类标准，吸附剂的细孔分为以下几类：孔径大于50nm的为大孔，2～50nm的为中孔，0.8～2nm的为微孔以及小于0.8nm的为亚微孔。纳米活性碳纤维的孔主要是由乱层结构碳和石墨微晶形成的微孔。由于微孔的大量存在，使其表面积和吸附量增大。吸附剂中的大孔的主要作用是为被吸附分子到达吸附位提供通道，因此它控制着吸附速度；纳米活性碳纤维直径一般在10～13nm，其外表面积大、微孔丰富且分布窄、易于与吸附质接触、扩散阻力小，因此吸脱附速度快，有利于吸附分离，而且，活性碳纤维还可以根据需要制成毡、布、纸等各种形态，适应于各个应用领域。

碳纤维经过活化即可制成纳米活性碳纤维。碳纤维转化成纳米活性碳纤维后，其原本的多晶乱层石墨结构不发生变化。纳米活性碳纤维是非均匀性的多相结构。活化过程中，高温水蒸气将碳纤维的部分原子脱去后形成微孔结构，并使之生成羧基、羰基等含氧活性基团进而增加其表面酸性。活化后的纳米活性碳纤维的比表面积约为1200㎡／g，远大于碳纤维，在特殊条件下活化则可达3000㎡／g。纳米活性碳纤维具有孔径分布狭窄的微孔结构，其孔可以产生毛细管的凝聚作用，其具有吸附、脱附速率快，吸附量大的优点。活性碳纤维应用于填充床中时，流体的床层阻力小，因此可作为催化剂与催化剂载体使用。在纳米活性碳纤维分子内的还含有痕量的杂原子磷、氮、氯等，部分杂原子会在活化时被脱去，进而使其表面的杂质大大减少。由于在活化过程中受到氧化气体的作用，纳米活性碳纤维表面含氧基团增强，生成羧基等酸性基团，羰基、内酯基等中性基，过氧化基等碱性基团。因活化的方法不同，纳米活性碳纤维会产生不同的表面含氧基与表面酸碱性不同的产物。在水的作用下，其可获得更强的氧化还原能力。这是因为水可以使一些基团氧化成羟基。即增加了表面含氧基团的数目，进而增大表面氧化还原容量。

纳米活性碳纤维的制备工艺及条件等因原料纤维种类的不同而有所不同，但从成芯原理来说与化学纤维类似，包括纺丝、预处理、量化、活化等步骤。