活性炭纖維(ACF)是通過纖維制得的新型活性炭材料,是繼粉狀、顆粒狀活性炭之后的第三代活性炭材料。與傳統的顆粒狀、粉狀活性炭相比,直徑小、接觸面積大;外表面積大、吸脫附速率快、吸附容量大;孔徑分布窄,主要以微孔為主;體積密度小、擴散阻力小;、不容易粉化;適應性強、操作簡便、節能經濟。由于活性炭纖維的纖維結構,使其易于加工成氈、布、紙等各種形態織物,現己在環境保護、化工產業、生物醫學、食品衛生等諸多了廣泛的應用。
而制備活性炭纖維的前驅體纖維主要是纖維素系、酚醛系、聚丙烯睛系、瀝青系四大類。纖維素(粘膠)基活性炭纖維生產成本低、原料廣泛,但收率低、強度低;酚醛基活性炭纖維由于本身苯環樣的耐熱交聯結構,不需要進行預處理,所以制備工序簡單,且產物比表面積較大;聚丙烯睛基活性炭纖維生產工藝簡單,產物具有優良的力學性能,導電與導熱性能也較優,但是生產過程中易產生劇毒的HCN,且產物比表面積小;瀝青基活性炭纖維原料便宜,收率高,但不易加工成連續長絲。
活性炭纖維的孔隙分布90%以上為微孔,且微孔直徑分布均勻,直徑都在幾納米甚至更小,與顆粒活性炭中大量大孔、過渡孔,且孔徑分散等不同,具有的比表面積和孔容積。為了獲得的吸附效果,有時需要配合吸附質的大小,來調整活性炭纖維的孔徑。通過選擇原材料或調整催化活化過程,在活性炭纖維中形成中孔或大孔。
活性炭纖維中約60%的碳原子是以類石墨炭形式存在的,經基、醚基約占25%,其他含氧官能團約占10%,如撥基、梭基、酉旨基等,此外有其它形式的官能團,但其所占比例較少。根據FTIR和XPS研究還可進一步確定ACF的表面存在的醒基和酚基,但是梭基含量卻,同時ACF的類石墨炭片層平面與其表面醒基存在共扼現象,而由于類石墨炭片層位置與尺寸不一,其與醒基的共扼程度各不相同。
活性炭纖維的制備過程一般有三個步驟:預處理、炭化、活化,其中,炭化和活化可同時進行。預處理有鹽浸漬和預氧化兩種。鹽浸漬主要是在磷酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽等溶液中浸漬前驅體纖維,以提高炭化、活化的產率。預氧化處理主要是在空氣中升溫處理一段時間,紡織纖維在高溫炭化時熔融。一般以預氧化處理比較普遍,也可兩者結合使用。
炭化是指在惰性氣體中對纖維進行高溫熱處理(800℃以上),除去C以外的元素,形成類似石墨微晶結構的炭化纖維。活化是在高溫下用氧化性氣體接觸炭纖維,以獲得微孔結構。常用的活化方法有物理活化、化學活化和物理化學雙重活化。物理活化主要是水蒸氣、二氧化碳為主,活化過程中伴隨著碳的燒失,通過浸漬和混合使其充分接觸一段時間,再經高溫處理,洗去活化劑即可微孔分布均勻的活性炭纖維;物理化學雙重活化是將兩者結合使用,以獲得的微孔結構。
不同前驅體制得的活性炭纖維的加工工藝各不相同,纖維素(粘膠)基活性炭纖維是先將粘膠纖維催化浸漬,在經過炭化、活化和表面處理粘膠基活性炭纖維;酚醛基活性炭纖維無需進行預氧化處理,直接利用酚醛樹脂進行炭化活化即可;瀝青基活性炭纖維是利用熔融紡絲將調制處理后的石油瀝青紡成纖維,再進行炭化活化處理,此法制得的活性炭纖維為通用型瀝青基活性炭纖維,而瀝青基活性炭纖維是先將中間相瀝青進行熔融紡絲、不熔化處理制得不熔化瀝青纖維,再炭化活化而得;聚丙烯睛基活性炭纖維是先將PAN原絲預氧化,再在低于700℃下炭化,然后在高于700℃下同時進行炭化、活化,然后經過表面處理聚丙烯睛基活性炭纖維。