一种多孔活性炭纤维及其制备方法

摘要

本发明涉及一种多孔活性炭纤维及其制备方法，属于活性炭纤维的制备技术领域，解决了现有活性炭纤维的制备成本高、性能差的技术问题。该多孔活性炭纤维的制备原料包括木质素原料、甲酸甲酯、镍粉、聚环氧乙烷和双酚A苯胺型苯并噁嗪；其制备方法包括：步骤1、对木质素原料利用甲酸甲酯和催化剂镍粉进行改性；步骤2、改性木质素与塑化剂聚环氧乙烷和促进剂双酚A苯胺型苯并噁嗪进行熔融共混纺丝，对成型木质素纤维进行进一步稳定化处理；步骤3、稳定化处理后的木质素纤维进行碳化与活化处理，制得具有多孔活性炭纤维。本发明采用低成本可再生的木质素为原料，通过高效的改性过程，从而改进其纺丝性能，简化纺丝处理流程，以此达到降低制造成本提升材料性能目的。

权利要求

1.一种多孔活性炭纤维，其特征在于，所述多孔活性炭纤维的制备原料包括木质素原料、甲酸甲酯、镍粉、聚环氧乙烷和双酚A苯胺型苯并噁嗪；

所述甲酸甲酯用作木质素原料改性处理剂；

所述镍粉用作木质素原料改性处理催化剂；

所述聚环氧乙烷用作改性木质素熔融纺丝塑化剂；

所述双酚A苯胺型苯并噁嗪用作改性木质素熔融纺丝促进剂；

所述多孔活性炭纤维的拉伸强度为90～210MPa，断裂伸长率为0.5～1.8％，弹性模量2

为3.0～8.3GPa；比表面积为800～1220m/g。

2.根据权利要求1所述的多孔活性炭纤维，其特征在于，所述木质素原料为Kraft木质素、磺化木质素、有机溶剂木质素、碱木质素或汽爆木质素中的一种。

3.一种多孔活性炭纤维的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1或2所述的多孔活性炭纤维，包括如下步骤：

步骤1、将木质素原料与改性处理剂甲酸甲酯混合，先向其中加入催化剂镍粉，然后向其中加入氢氧化钠和对蒽醌，将形成的混合物置于反应釜中并在一定条件下对木质素原料进行改性，得到改性木质素；

在所述步骤1中，甲酸甲酯的使用量为木质素原料质量的5～20倍；镍粉的使用量为木质素原料质量的1.0～10％，镍粉的颗粒尺寸为500～1000目；氢氧化钠的使用量为木质素原料质量的1.0～5.0％，对蒽醌使用量为木质素原料质量的0.2～1.2％；

步骤2、将改性木质素与塑化剂聚环氧乙烷和促进剂双酚A苯胺型苯并噁嗪进行熔融共混纺丝，得到成型木质素纤维；

在所述步骤2中，所述聚环氧乙烷使用量为改性木质素质量的3.0～16％；所述双酚A苯胺型苯并噁嗪使用量为改性木质素质量的1.0～16％；熔融共混纺丝的温度为100～200℃；

步骤3、将得到的成型木质素纤维在空气中进行稳定化处理；

在所述步骤3中，以0.1～5℃/min的升温速率升温至200～300℃进行稳定化处理，稳定化处理时间为0.5～2.5h；步骤4、将稳定化处理后的成型木质素纤维进行碳化与活化处理，制备得到多孔活性炭纤维；

在所述步骤4中，所述活化处理包括采用脉冲空气流对碳化处理完的成型木质素纤维进行活化造孔，活化温度为550～750℃，氮气流量为60～600ml/min，向氮气流中注入干燥空气脉冲气流2～20s，脉冲空气注入操作重复1～10次；

所述干燥空气脉冲气流的流速为30～180ml/min。

4.根据权利要求3所述的多孔活性炭纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，氢氧化钠的使用量为木质素原料质量的3.0～5.0％，对蒽醌使用量为木质素原料质量的0.65～1.2％。

5.根据权利要求3所述的多孔活性炭纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，改性处理温度为90～150℃，反应时间为0.5～3.0h，反应过程中的搅拌速率为60～600rmp/min。

6.根据权利要求3所述的多孔活性炭纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述聚环氧乙烷使用量为改性木质素质量的10.0～16％；所述双酚A苯胺型苯并噁嗪使用量为改性木质素质量的8.0～16％；熔融共混纺丝的温度为152～200℃。

7.根据权利要求3所述的多孔活性炭纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，以

0.1～5℃/min的升温速率升温至200～300℃进行稳定化处理，稳定化处理时间为0.5～

2.5h。

8.根据权利要求3所述的多孔活性炭纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，以

1.0～10℃/min的升温速率升温至750～1200℃进行碳化处理，碳化处理时间为0.5～3.0h。

9.根据权利要求3所述的多孔活性炭纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述活化处理包括采用脉冲空气流对碳化处理完的成型木质素纤维进行活化造孔，活化温度为650～750℃，氮气流量为60～600ml/min，向氮气流中注入干燥空气脉冲气流8～20s，脉冲空气注入操作重复5～10次；

所述干燥空气脉冲气流的流速为100～180ml/min。

10.根据权利要求3所述的多孔活性炭纤维的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，甲酸甲酯的使用量为木质素原料质量的10～20倍；镍粉的使用量为木质素原料质量的1.0～10％，镍粉的颗粒尺寸为800～1000目。

说明书

一种多孔活性炭纤维及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及活性炭纤维技术领域，尤其涉及一种多孔活性炭纤维及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着现代工业的发展，污染议题也日益严重，其中包括城市和工业污水、清洁饮用水、重金属污染、有机物油类污染物和VOC、工业废气与二氧化碳捕捉回收等问题。在各类环
境污染问题的治理中，高性能吸附材料发挥着越来越重要的作用，但在实际的应用中需要
综合考虑成本与性能的平衡问题，有大规模使用价值的材料只有活性炭、合成树脂和活性
氧化铝少数几类。

[0003] 活性炭为目前使用最为广泛的材料，主要因为其性能优异，适用面广，而且成本合适。在目前的活性炭市场份额中，48％为粉末活性炭，35％为颗粒成型活性炭，其他份额为
特殊形态活性炭材料(主要是以纤维织造成各种适于系统的结构形态)。

[0004] 纤维状活性炭通过适当工艺构造可以满足各种实际应用的整体构件，能应用于工业污染治理，废气、废液、重金属污染，污染土壤水体的生态恢复等。活性炭纤维适用于相对
于高端的应用，活性炭纤维直径在10～20微米左右，孔主要分布在纤维表面并处于开放状
态，容易实现高的比表面以有效提高吸附速率。相比较于颗粒或粉末活性炭，活性炭纤维的
吸附速率高出100‑1000倍，吸附容量也是颗粒或粉末活性炭的1.5‑10倍。另外，活性炭纤维
整体成型结构，流动压力损失为颗粒状活性炭的1/3左右，适用于高流速气流，及黏度大的
液体。

[0005] 虽然活性炭纤维在性能上确有其优异之处，但目前限制其广泛应用的一个主要原因还是其相比于颗粒或粉末活性炭成本过高。活性炭纤维在制造过程中包括纺丝成型和热
处理碳化两个主要过程，在成本分布上，碳化处理与相应的后处理的成本相对比较固定，一
般占到总制造成本的15～20％，制造成本的大头集中在纺丝成型过程，其中原料成本占比
在30％以上，原料处理纺丝成本占比40％左右，纺丝成型稳定过程成本占比15％左右。

[0006] 活性炭纤维在实际的应用中还存在另外一个问题就是其机械强度，由于活性炭纤维需要表面有丰富的孔隙结构，这导致其机械性能与强度方面存在一定问题。这两种性能
实际对材料的结构要求是相反的，但这两者对活性炭纤维来说都是非常重要的，在实际的
研发过程必须实现二者的平衡。

发明内容

[0007] 鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种活性炭纤维及其制备方法，用以解决现有活性炭纤维的制备成本高且机械性能差的技术问题。

[0008] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

[0009] 一方面，本发明提供了一种多孔活性炭纤维，多孔活性炭纤维的制备原料包括木质素原料、甲酸甲酯、镍粉、聚环氧乙烷和双酚A苯胺型苯并噁嗪；

[0010] 甲酸甲酯用作木质素原料改性处理剂；

[0011] 镍粉用作木质素原料改性处理催化剂；

[0012] 聚环氧乙烷用作改性木质素熔融纺丝塑化剂；

[0013] 双酚A苯胺型苯并噁嗪用作改性木质素熔融纺丝促进剂。

[0014] 进一步地，木质素原料为Kraft木质素、磺化木质素、有机溶剂木质素、碱木质素或汽爆木质素中的一种。

[0015] 另一方面，本发明还提供了一种多孔活性炭纤维的制备方法，用于制备上述的活性炭纤维，该制备方法包括如下步骤：

[0016] 步骤1、将木质素原料与改性处理剂甲酸甲酯混合，先向其中加入催化剂镍粉，然后向其中加入氢氧化钠和对蒽醌，将形成的混合物置于反应釜中并在一定条件下对木质素
原料进行改性，得到改性木质素；

[0017] 步骤2、将改性木质素与塑化剂聚环氧乙烷和促进剂双酚A苯胺型苯并噁嗪进行熔融共混纺丝，得到成型木质素纤维；

[0018] 步骤3、将得到的成型木质素纤维在空气中进行稳定化处理；

[0019] 步骤4、将稳定化处理后的成型木质素纤维进行碳化与活化处理，制备得到多孔活性炭纤维。

[0020] 进一步地，在步骤1中，氢氧化钠的使用量为木质素原料质量的1.0～5.0％，对蒽醌使用量为木质素原料质量的0.2～1.2％。

[0021] 进一步地，在步骤1中，改性处理温度为90～150℃，反应时间为0.5～3.0h，反应过程中的搅拌速率为60～600rmp/min。

[0022] 进一步地，在步骤2中，聚环氧乙烷使用量为改性木质素质量的3.0～16％；双酚A苯胺型苯并噁嗪使用量为改性木质素质量的1.0～16％；熔融共混纺丝的温度为100～200
℃。

[0023] 进一步地，以0.1～5℃/min的升温速率升温至200～300℃进行稳定化处理，稳定化处理时间为0.5～2.5h。

[0024] 进一步地，在步骤4中，以1.0～10℃/min的升温速率升温至750～1200℃进行碳化处理，碳化处理时间为0.5～3.0h。

[0025] 进一步地，在步骤4中，活化处理包括采用脉冲空气流对碳化处理完的成型木质素纤维进行活化造孔，活化温度为550～750℃，氮气流量为60～600ml/min，向氮气流中注入
干燥空气脉冲气流2～20s，脉冲空气注入操作重复1～10次；

[0026] 干燥空气脉冲气流的流速为30～180ml/min。

[0027] 进一步地，在步骤1中，甲酸甲酯的使用量为木质素原料质量的5～20倍；镍粉的使用量为木质素原料质量的1.0～10％，镍粉的颗粒尺寸为500～1000目。

[0028] 与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

[0029] (1)本发明采用低成本可再生的木质素为原料，相比现有技术中制备高性能的活性炭纤维多采用聚丙烯腈(PAN)、Kynol纤维或是沥青纺丝纤维等，木质素作为原料的制造
成本经过测算可以低至现有技术使用原料成本的20～30％，即可降低70％‑80％的成本，解
决了现有技术使用的原料用于生产活性炭纤维成本过高的问题。

[0030] (2)本发明采用低成本可再生的木质素为原料，但木质素原料来源复杂，分子结构庞杂无序，在形成碳质结构过程中会造成内部结构的不均与断层，由此会使制得的纤维的
强度过低无法满足应用要求。本发明通过对木质素原料进行适当改性处理，从而改进其纺
丝性能，使其适合于制备碳质纤维，达到了降低制造成本提升材料性能目的。

[0031] (3)本发明同时采用双酚A苯胺型苯并噁嗪作为碳化结构生成促进剂，以获得性能良好的炭纤维材料，通过对木质素原料的改性和促进剂的熔融混合，可以使得活性炭纤维
的制造成本为聚丙烯腈(PAN)或Kynol纤维等合成纤维原料的30％左右，采用双酚A苯胺型
苯并噁嗪作为碳化结构生成促进剂形成的炭纤维材料性能与以聚丙烯腈(PAN)和Kynol纤
维为原料制备产物的性能相当。

[0032] (4)现有技术采用成本较低的纤维素或是木质素为前体原料制得的活性炭纤维，都存在机械性能较差的问题，拉升强度低于10MPa，由于非常脆弱，断裂伸长率和拉伸模量
无法测量。本发明采用改性木质素原料与双酚A苯胺型苯并噁嗪结构促进剂，可以在采用低
成本原料与流程以制得高性能活性炭纤维。本发明木质素基活性炭纤维的拉伸强度为90～
210MPa，断裂伸长率达到0.5～1.8％，弹性模量达到3.0～8.3GPa。保证了纤维良好的机械
性能，同时具有活性炭纤维开放的孔隙特性，本发明木质素基活性炭纤维的比表面积达到
2
800～1220m/g。

[0033] (5)活性炭纤维在制造成本主要集中在纺丝成型和热处理碳化两个主要过程，在成本分布上来看，碳化活化过程的成本主要为能耗与设备折旧，与原料及相应的成型工艺
关联不大，相对比较固定，一般占到总制造成本的15～20％。活性炭纤维制造成本主要集中
在前体纤维成型过程，其中原料成本占比在30％以上，原料处理纺丝成本占比40％左右，纺
丝成型稳定过程成本占比15％左右。

[0034] 本发明采用的木质素原料成本只有聚丙烯晴和Kynol纤维五分之一，针对木质素原料，本发明的多孔炭纤维的制备过程设计为木质素原料高效改性、熔融纺丝、稳定化处理
以及碳化活化过程。其中改性木质素原料可以通过熔融纺丝及空气加热稳定化来实现纤维
成型，熔融纺丝过程是一种低成本高效环保的纤维成型过程，过程不涉及有机溶剂，不会产
生有机污染，同时稳定化过程不涉及稳定化溶液浴或其他溶液处理过程，避免了大量废液
的产生。本发明方法过程环保、高效、简洁，经济成本合理，处理方法效果与经济成本相互平
衡，有广泛的应用前景。

[0035] 本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而
易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附
图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

[0036] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0037] 图1为苯基丙烷单元通过苯醚键聚合形成三维空间结构聚合物的主要的链接方式示意图；

[0038] 图2为木质素原料的改性处理过程示意图；

[0039] 图3为改性木质素的分子结构式；

[0040] 图4为步骤3中稳定化过程中双酚A苯胺型苯并噁嗪中的噁嗪环开环聚合交联反应过程示意图；

[0041] 图5为聚环氧乙烷与木质素的分子间相互作用示意图。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

[0043] 本发明提供了一种多孔活性炭纤维，多孔活性炭纤维的制备原料包括木质素原料、甲酸甲酯、镍粉、聚环氧乙烷和双酚A苯胺型苯并噁嗪；

[0044] 甲酸甲酯用作木质素原料改性处理剂；镍粉用作木质素原料改性处理催化剂；聚环氧乙烷用作改性木质素熔融纺丝塑化剂；双酚A苯胺型苯并噁嗪用作改性木质素熔融纺
丝促进剂。

[0045] 其中，木质素原料为Kraft木质素、磺化木质素、有机溶剂木质素、碱木质素或汽爆木质素中的一种。

[0046] 木质素为仅次于纤维素储量第二丰富的可再生高分子资源，也是唯一一种自然再生的芳环类化合物资源。木质素分子结构庞杂，其结构与性能因为来源、提取方法、产地环
境的不同会出现很大的差异。通常根据分离方式的不同，可分为：Kraft木质素、磺化木质
素、有机溶剂木质素、碱木质素以及汽爆木质素。

[0047] 木质素是一种具有各向异性的三维空间结构的无定形芳香族天然高分子聚合物，其基本结构单元是苯基丙烷单元，基本骨架单元有三种类型：愈创木基型(G型)、紫丁香基
型(S型)和对羟基苯基型结构单元(H型)。苯基丙烷单元通过苯醚键聚合形成三维空间结构
聚合物，主要的链接方式如图1所示。

[0048] 熔融共混纺丝为一种高效环保低成本的纤维成型过程，但对前体高分子聚合物各方面的性能要求很高。工业上通过各种途径分离出的木质素无论从宏观的理化性质还是高
分子结构都无法满足熔融共混纺丝的要求。

[0049] 发明人在研究中发现，影响熔融共混纺丝的主要因素有以下几点：

[0050] (1)熔融受热过程中的重聚与解聚，木质素G型结构单元在受热条件下有很大的交联聚合倾向，由于重聚会导致更高的黏度和分子量，限制了热流动性，从而导致可纺丝性能
降低；另外，木质素结构中β‑O‑4醚键、亚甲基、酯基桥键在受热过程断裂，由此造成黏度与
分子量过低。

[0051] (2)木质素基本结构单元的附属官能团和聚合桥键都会影响木质素的熔融共混纺丝性能，较高比例的芳基醚连接方式能提高热流动性，降低玻璃化温度；高浓度的脂肪类醇
基的存在会大幅降低热流动性，而酚基与羰基的存在能增加木质素热聚合趋势。

[0052] (3)木质素的平均分子量分布也是熔融共混纺丝的关键参数，采用多分散性指数(PDI)来计量，PDI数值越小说明其所含高分子的大小相近，木质素的均一性较好有近乎相
同的玻璃化温度。因此较低的PDI数值有利于熔融共混纺丝。但实际的工业木质素原料普遍
分量分布不均，PDI数值偏大。

[0053] (4)木质素原料还存在杂质问题而影响其纺丝性能，由于目前的木质素原料多为纤维素分离过程的副产物，其中含有一定量的各类杂质，如：碳水化合物、蛋白质、挥发性组
分、水以及无机灰分等。

[0054] 针对上述发现和存在的问题，本发明通过对木质素进行适当的改性以使得工业木质素原料适合于熔融共混纺丝的技术要求。

[0055] 本发明提供了一种多孔活性炭纤维的制备方法，包括如下步骤：

[0056] 步骤1、将木质素原料与改性处理剂甲酸甲酯混合，先向其中加入催化剂镍粉，然后向其中加入氢氧化钠和对蒽醌，将形成的混合物置于反应釜中并在一定条件下对木质素
原料进行改性，得到改性木质素；步骤1中涉及的化学反应过程如图2所示。

[0057] 具体地，在上述步骤1中，以甲酸甲酯作为处理剂，将木质素原料与甲酸甲酯混合，甲酸甲酯使用量为木质素原料质量的5～20倍；向其中加入催化剂镍粉，其颗粒尺寸为500
～1000目，其使用量为木质素原料质量的1.0～10％；加入质量为木质素原料质量的1.0～
5.0％的氢氧化钠以及0.2～1.2％的对蒽醌；混合物密封于反应釜中，在90～150℃反应0.5
～3.0h，反应过程的搅拌速率60～600rmp/min。反应完成后，利用磁力从反应的混合物中分
离出催化剂镍粉，蒸馏去除多余甲酸甲酯，剩余固体反应产物采用质量浓度为5～8％的盐
酸溶液与去离子水清洗至pH值为3～5，并在空气中60～95℃干燥，得到改性木质素。

[0058] 需要说明的是，严格控制甲酸甲酯的使用量在上述范围内是为了实现两个目的：其一是甲酸甲酯作为溶剂与木质素大分子结构的溶胀分子；其二是在镍粉催化下产生活性
氢以促使木质素结构中的氧醚键裂解。严格控制镍粉的粒度和催化用量可以保证其在反应
过程中有效分散而充分发挥催化效用。

[0059] 氢氧化钠与对蒽醌在反应条件形成蒽酚酮离子，蒽酚酮离子与木质素的亚甲基醌发生还原作用，以促使稳定性很高的木质素β‑醚键断裂而对木质素的分子结构进行重整与
改性。严格控制氢氧化钠与蒽醌的用量保持在上述的范围内有利于其发挥协同催化的作
用，在反应条件形成蒽酚酮离子，蒽酚酮离子与木质素的亚甲基醌发生还原作用，以促使稳
定性很高的木质素β‑醚键断裂而对木质素的分子结构进行重整与改性。

[0060] 步骤1中，将反应温度控制在上述范围有利于控制甲酸甲酯氢解木质素的程度，温度太低甲酸甲酯无法有效参与反应进程，反应温度过高木质素的裂解过程不可控，会生成
分子量更小的碎片结构，不利于熔融纺丝过程。将反应时间及搅拌速率控制在相应的范围
内有利于反应物的充分混合以及催化反应的完成。

[0061] 需要说明的是，甲酸甲酯作为木质素溶剂，能有效地溶胀木质素三维聚合物结构。在反应温度下，镍粉催化甲酸甲酯分解产生高活性的氢，从而使得木质素中比较脆弱的苯
醚桥键发生氢解断裂，通过这一过程可以使得木质素复杂的三维高分子重整为线性大分子
而且分子量分布相对集中在1000～2000(PDI数值相对较小)，改性木质素的相应分子结构
式如图3所示。

[0062] 步骤2、将改性木质素与塑化剂聚环氧乙烷和促进剂双酚A苯胺型苯并噁嗪进行熔融共混纺丝，纺丝后对成型的木质素纤维做进一步稳定化处理。

[0063] 木质素原料经过步骤1的改性过程，克服了自身的一些固有缺点，能够满足熔融共混纺丝的要求。

[0064] 为了进一步提升改性木质素的纺丝性能及成型木质素纤维的性能，本发明加入塑化剂聚环氧乙烷和纺丝促进剂双酚A苯胺型苯并噁嗪进行熔融共混纺丝；其中，聚环氧乙烷
的使用量为改性木质素质量的3.0～16％，双酚A苯胺型苯并噁嗪的使用量为改性木质素质
量的1.0～16％，熔融混合纺丝温度为100～200℃。塑化剂聚环氧乙烷的主要功能为增加改
性木质素的热流动性，能使其在上述纺丝条件下顺利成型，将其使用量控制上述范围可以
有效提高木质素大分子在熔融条件下的分散性与流动性，有利于纺丝成型。双酚A苯胺型苯
并噁嗪中的噁嗪环会发生开环聚合，从而引起木质素纤维大分子的相互交联，将双酚A苯胺
型苯并噁嗪的使用量控制在上述范围内有利于通过开环交联过程使得稳定化后的木质素
纤维强度进一步增加。

[0065] 步骤3成型木质素纤维在空气中进行稳定化处理；

[0066] 步骤3中的稳定化过程涉及双酚A苯胺型苯并噁嗪中的噁嗪环开环聚合交联反应，其反应方程式如图4所示。以0.1～5℃/min的升温速率升温至200～300℃进行稳定化处理，
稳定化处理时间为0.5～2.5h。

[0067] 将稳定化处理条件控制在上述范围内有利于木质素分子结构相互交联，通过稳定化过程增加成型纤维的强度以及减少直接高温碳化造成的纤维结构的不可逆破坏。在稳定
化条件下双酚A苯胺型苯并噁嗪中的噁嗪环会发生开环聚合，从而引起木质素纤维大分子
的相互交联，由于双酚A苯胺型苯并噁嗪的开环交联过程使得稳定化后的木质素纤维强度
进一步增加。

[0068] 需要说明的是，步骤2中的塑化剂聚环氧乙烷的主要功能为增加改性木质素的热流动性，能使其在上述纺丝条件下顺利成型。木质素结构中有较多的羟基官能团，由于氢键
的作用以及相关的交联或内聚反应，使得木质素大分子在熔融条件下的分布不均匀。聚环
氧乙烷可以有效提高木质素大分子在熔融条件下的分散性与流动性，有利于纺丝成型，木
质素主要的分子间相互作用的示意图如图5所示。

[0069] 步骤4、对稳定化处理后的成型木质素纤维进行碳化与活化处理，制备得到多孔活性炭纤维。

[0070] 具体地，对稳定化处理后的成型木质素纤维进行碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，以1.0～10℃/min的升温速率升温至750～1200℃进行碳化处理，碳化处理时
间为0.5～3.0h。碳化处理过程中氮气的流量为60～600ml/min。将碳化处理条件控制在上
述范围内有利于纤维中碳结构的生成，避免碳化过程造成的纤维微区结构的不均，从而导
致纤维性能的下降。

[0071] 采用脉冲空气流对碳化处理完的纤维材料进行活化造孔，活化温度为550～750℃，向氮气流中注入流速为30～180ml/min的干燥空气2～20s，脉冲空气注入操作重复1～
10次。采用该活化条件有利于在有效制孔的同时避免对纤维的强度造成较大的影响，从而
实现较高孔隙率与纤维强度之间的平衡。在氮气中注入空气的目的为利用空气中的氧气来
对碳结构进行氧化侵蚀制孔，采用氮气稀释空气是为了控制氧气的浓度以避免过度氧化；
脉冲空气处理完的纤维在相应的氮气中冷却至室温，制备得到多孔活性炭纤维。

[0072] 与现有技术相比，本发明采用低成本可再生的木质素为原料，通过适当改性处理，从而改进其纺丝性能，以此达到降低制造成本提升材料性能目的。本发明方法过程高效简
洁，经济成本合理，有广泛的应用前景。

[0073] 实施例1

[0074] 本实施例提供了一种多孔活性炭纤维的制备方法，包括如下步骤：

[0075] 步骤1、将200g木质素原料(如表1所列)与2.0kg甲酸甲酯混合，向其中加入10.0g的800目镍粉，以及6.0g氢氧化钠和1.3g对蒽醌；混合物密封于反应釜中，在120℃反应
1.8h，反应过程的搅拌速率300rmp/min。反应的混合物利用磁力分离出镍催化剂，蒸馏去除
多余甲酸甲酯，剩余固体采用质量浓度为6％的盐酸溶液与去离子水清洗至pH值为4；在空
气中85℃干燥，最后制得改性木质素。

[0076] 步骤2、将100g改性木质素与其10g聚环氧乙烷和8g双酚A苯胺型苯并噁嗪熔融混合纺丝，熔融混合纺丝温度为152℃。

[0077] 步骤3、成型木质素纤维在空气中进行稳定化处理，以1.0℃/min的升温速率升温至250℃进行稳定化处理，稳定化处理时间为1.6h。

[0078] 步骤4、稳定化处理后的木质素纤维进行碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，以5℃/min的升温速率升温至950℃进行碳化处理，碳化处理时间为1.7h，碳化处理过
程中氮气的流量为220ml/min。

[0079] 采用脉冲空气流对碳化处理完的纤维材料进行活化造孔，活化温度为650℃，向氮气流中注入流速为100ml/min的干燥空气8s，脉冲空气注入操作重复5次。脉冲空气处理完
的纤维在相应的氮气中冷却至室温。

[0080] 表1不同工业木质素原料制备的多孔活性炭纤维性能

[0081]

[0082] 实施例2

[0083] 本实施例提供了一种多孔活性炭纤维的制备方法，包括如下步骤：

[0084] 步骤1、200g碱木质素原料与2.0kg甲酸甲酯混合，向其中加入10.0g的800目镍粉，以及6.0g氢氧化钠和1.3g对蒽醌；混合物密封于反应釜中，在120℃反应1.8h，反应过程的
搅拌速率300rmp/min。反应的混合物利用磁力分离出镍催化剂，蒸馏去除多余甲酸甲酯，剩
余固体采用质量浓度为6％的盐酸溶液与去离子水清洗至pH值为4。在空气中85℃干燥，最
后制得166g改性木质素。

[0085] 步骤2、100g改性木质素与其一定量的聚环氧乙烷(PEO)和双酚A苯胺型苯并噁嗪(B‑a)熔融混合纺丝，熔融混合纺丝温度为152℃。

[0086] 步骤3、成型木质素纤维在空气中进行稳定化处理，升温速率为1.0℃/min，最终稳定化温度为250℃，稳定化处理时间为1.6h。

[0087] 步骤4、稳定化处理后的木质素纤维进行碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，碳化过程的升温速率为5℃/min，热处理的温度区间为950℃，处理时间为1.7h，处理
过程中氮气的流量为220ml/min。

[0088] 采用脉冲空气流对碳化处理完的纤维材料进行活化造孔，活化温度为650℃，向氮气流中注入流速为100ml/min的干燥空气8s，脉冲空气注入操作重复5次。脉冲空气处理完
的纤维在相应的氮气中冷却至室温。

[0089] 表2聚环氧乙烷(PEO)和双酚A苯胺型苯并噁嗪(B‑a)用量对多孔活性纤维性能的影响

[0090]

[0091]

[0092] 实施例3

[0093] 本实施例提供了一种多孔活性炭纤维的制备方法，包括如下步骤：

[0094] 步骤1、200g硬木碱木质素原料与2.0kg甲酸甲酯混合，向其中加入10.0g的800目镍粉，以及6.0g氢氧化钠和1.3g对蒽醌；混合物密封于反应釜中，在120℃反应1.8h，反应过
程的搅拌速率300rmp/min。反应的混合物利用磁力分离出镍催化剂，蒸馏去除多余甲酸甲
酯，剩余固体采用质量浓度为6％的盐酸溶液与去离子水清洗至pH值为4。在空气中85℃干
燥,最后制得166g改性木质素。

[0095] 步骤2、100g改性木质素与其10g聚环氧乙烷和8g双酚A苯胺型苯并噁嗪熔融混合纺丝。

[0096] 步骤3、成型木质素纤维在空气中一定温度进行稳定化处理适当时间(纺丝与稳定化操作条件如表3所示)。

[0097] 步骤4、稳定化处理后的木质素纤维进行碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，以5℃/min的升温速率升温至950℃进行碳化处理，碳化处理时间为1.7h，碳化处理过
程中氮气的流量为220ml/min。

[0098] 采用脉冲空气流对碳化处理完的纤维材料进行活化造孔，活化温度为650℃，向氮气流中注入流速为100ml/min的干燥空气8s，脉冲空气注入操作重复5次。脉冲空气处理完
的纤维在相应的氮气中冷却至室温。

[0099] 表3熔融共混纺丝与稳定化条件对材料性能的影响

[0100]

[0101] 实施例4

[0102] 本实施例提供了一种多孔活性炭纤维的制备方法，包括如下步骤：

[0103] 步骤1、将200g硬木碱木质素原料与2.0kg甲酸甲酯混合，向其中加入10.0g的800目镍粉，以及6.0g氢氧化钠和1.3g对蒽醌；混合物密封于反应釜中，在120℃反应1.8h，反应
过程的搅拌速率300rmp/min。反应的混合物利用磁力分离出镍催化剂，蒸馏去除多余甲酸
甲酯，剩余固体采用质量浓度为6％的盐酸溶液与去离子水清洗至pH值为4。在空气中85℃
干燥,最后制得改性木质素。

[0104] 步骤2、100g改性木质素与其10g聚环氧乙烷和8g双酚A苯胺型苯并噁嗪熔融混合纺丝，熔融混合纺丝温度为152℃；

[0105] 步骤3、成型木质素纤维在空气中进行稳定化处理，以1.0℃/min的升温速率升温至250℃进行稳定化处理，稳定化处理时间为1.6h。

[0106] 步骤4、稳定化处理后的木质素纤维进行碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，热处理在设定升温速率升温至处理温度，处理时间为1.7h，处理过程中氮气的流量为
220ml/min。采用脉冲空气流对碳化处理完的纤维材料进行活化造孔，活化温度与碳化温度
相同，过程参数如表4所示。脉冲空气处理完的纤维在相应的氮气中冷却至室温表4碳化与
活化反应条件

[0107]

[0108] 实施例5

[0109] 本实施例提供了一种多孔活性炭纤维的制备方法，包括如下步骤：

[0110] 步骤1、将180g磺化木质素原料(如表5所列)与1.8kg甲酸甲酯混合，向其中加入9.0g的800目镍粉，以及5.4g氢氧化钠和1.2g对蒽醌；混合物密封于反应釜中，在130℃反应
2.0h，反应过程的搅拌速率400rmp/min。反应的混合物利用磁力分离出镍催化剂，蒸馏去除
多余甲酸甲酯，剩余固体采用质量浓度为6％的盐酸溶液与去离子水清洗至pH值为4；在空
气中90℃干燥，最后制得改性木质素。

[0111] 步骤2、将90g改性木质素与其9g聚环氧乙烷和7.2g双酚A苯胺型苯并噁嗪熔融混合纺丝，熔融混合纺丝温度为160℃；

[0112] 步骤3、成型木质素纤维在空气中进行稳定化处理，以1.5℃/min的升温速率升温至260℃进行稳定化处理，稳定化处理时间为2.0h。

[0113] 步骤4、稳定化处理后的木质素纤维进行碳化处理，采用管式炉加热，以氮气作为载气，以7℃/min的升温速率升温至1000℃进行碳化处理，处理时间为20h，处理过程中氮气
的流量为250ml/min。

[0114] 采用脉冲空气流对碳化处理完的纤维材料进行活化造孔，活化温度为700℃，向氮气流中注入流速为120ml/min的干燥空气6s，脉冲空气注入操作重复5次。脉冲空气处理完
的纤维在相应的氮气中冷却至室温。

[0115] 表5磺化木质素原料制备活性炭纤维

[0116]

[0117] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。