纳米活性碳纤维的制备工艺-表面改性

表面改性

在纳米活性碳纤维表面存在着一定量的亲水性含氧基团，该基团对吸附性能有很大的影响，可通过处理改变纳米活性碳纤维的表面亲水性与疏水性来获得预期的吸附效果。

在经900℃的高温处理或氢处理后，纳米活性碳纤维可脱除含氧基团而被还原，亲水基的减少，可提高纳米活性碳纤维对含水气流或水溶液的吸附能力。反之，也可将其经过气相氧化和液相氧化处理而获得高酸性表面。气相氧化法是指在330℃左右的温度下，用空气进行氧化进而在纳米活性碳纤维表面导入含氧基团。液相氧化法是指利用双氧水等氧化剂，在酸性条件下与纳米活性碳纤维进行反应，纳米活性碳纤维的表面酸性随着酸浓度的增高而增加，因而对酸性有机物吸附性能会有所降低，从而改善对水的吸附力。利用纳米活性碳纤维与氯气反应时，其表面由非极性转化为极性的特性，可以提高其对极性分子的吸附能力。在有机物前驱体纤维中通过浸渍法或混炼法添加重金属离子后，由于配价吸附作用可改善其对硫化氢等恶臭物质的吸附能力。还有研究显示，在纳米活性碳纤维中引入酸性基团或碱性基团后可改善其对香烟臭的吸附能力。另外，在纳米活性碳纤维表面上添加银离子后，可对大肠杆菌、金黄色葡萄状球菌等表现出极好的杀菌作用。其载银工艺的特点在于用硝酸银溶液浸渍时采用加热工艺，使银充分浸入炭体内，减少银液损失。加热法载银具有牢固、均匀、寿命长和灭菌效果好等优点，可用于水的净化处理等。

在制造纳米活性碳纤维之前，原纤维一般要在空气中经过低温200～400℃进行几十分钟乃至几小时的不熔化处理，随后进行炭化或活化处理，也可以同时进行炭化和活化处理。活化方法主要包括物理活化和化学活化。物理法活化以水蒸气和二氧化碳活化法为主，化学法活化主要是指用化学试剂如KOH、H3PO4、ZnCl2等进行处理，工业上纳米活性碳纤维的活化多以气相活化法为主，在惰性气体如氮气的保护下，在600～1000℃温度下，用H2，O2／CO2为活化介质。具体的处理过程需要根据原材料和实际要求的不同而做具体调整。

PAN系纳米活性碳纤维zui主要的优点是结构中含有氮，因而对硫系、氮系化合物有着高的吸附性能，若采用其他原料制造含氮的纳米活性碳纤维还需要对其进行氨化或氮化。沥青系纳米活性碳纤维的优点是原材料便宜、炭化收率高，但是它不易制得连续长丝，深加工较难进行。纤维素系纳米活性碳纤维（人造丝）的价格低，但是炭化收率低、工艺复杂，产物强度低。酚醛系纤维中因为酚醛树脂具有苯环样的耐热交联结构，可以直接进行炭化活化而不必预氧化，制备工艺简单且产物表面积大。

在经表面处理后，纳米活性碳纤维会生成新的含氧基团，各种不同的基团使之具有酸性、碱性、氧化性、还原性、亲水性、疏水性等不同的性能。前驱体表面处理对于作为催化剂用的纳米活性碳纤维是一个相当重要的环节，通常可以用气相氧化、液相氧化、电极氧化等氧化法，也可以用等离子体处理、气相沉积法等。利用氧化和适当的高温处理，可调节两种活性位，使其得到恰当的匹配，进而获得高活性的催化剂。