廢棄竹筷制備碳纖維的實驗研究

苑海威 尤文卉 樊佳欣

廢棄竹筷制備碳纖維的實驗研究

苑海威 尤文卉 樊佳欣

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450000）

本文以廢棄竹筷為原材料，利用水熱法和碳化相結合的工藝制備出碳纖維，并對得到的碳纖維進行XRD、Raman和FTIR等表征，結果表明，碳纖維主要以無定型碳為主，具有一定的石墨化度，且為纖維結構，表面覆蓋大量褶皺，長度可達20—200 μm，直徑約為3—5μm，另外碳纖維表面還有大量的含氧官能團，因此具有一定的研究價值。

生物質碳；水熱法；廢棄竹筷；物理性能表征

1 引言

當今世界傳統能源消耗的速度過快，我們急需尋找一種綠色環保、價格便宜的可再生能源來代替傳統能源。而生物質碳材料因具有來源廣泛、價格便宜、再生性強等優點，可以滿足我們人類的需要[1]。生物質碳材料不僅具有碳材料基本的物理化學性質，還因為具有較大的比表面積、豐富的表面含氧官能團和較高的活性，它的性能表現要更為出色。當前最普遍的制備方法主要有熱分解法、微波碳化法、氣相沉積法和水熱法等[2]。其中，水熱法因具有設備要求低，操作簡單，過程好控制，能耗較低，綠色環保等優點。

生物質碳材料是指生物有機材料在缺氧或絕氧環境中，經高溫熱裂解后生成的固態產物。而竹筷作為生物質資源的一種，在中國可以說是隨處可見。因此，本文以廢棄竹筷為原材料，利用水熱法和碳化相結合的工藝制備出碳纖維。

2 實驗部分

2.1 原料與試劑

廢棄竹筷，來自于餐廳；鹽酸，分析純，洛陽昊華化學試劑有限公司；硫酸，分析純，洛陽昊華化學試劑有限公司；氫氧化鉀，分析純，天津市盛奧化學試劑有限公司；實驗中均采用二次去離子水。

2.2 碳纖維的制備

將竹筷清洗干凈，削成竹屑狀。將1g竹屑投入到裝有70mL的3M KOH溶液的不銹鋼高壓水熱釜中。將水熱釜放入180℃的電熱恒溫干燥箱中，4h后取出。待水熱釜冷卻到室溫后，打開水熱罐，取出樣品，并進行洗滌抽濾，然后將樣品放入溫度為60℃的電熱恒溫干燥箱中烘干并稱重。使用相同的方法分別制備出反應溶劑為水和硫酸（3M）條件下的樣品。

同時，將1g竹材料分別投入到室溫條件下的裝有70mL的純水、3M硫酸溶液以及3M KOH溶液的燒杯中，4h后將樣品取出洗滌抽濾、烘干并稱重。獲得室溫3種溶劑條件下的樣品。

將得到的竹纖維樣品放入洗凈的坩堝中，放入高溫氣氛管式爐中，通入氮氣。將管式爐以8℃/min的速率從室溫升到800℃，碳化過程中要保證氮氣充足不斷。升至800℃后，保持溫度4h。碳化結束后，取出坩堝中的樣品，用鹽酸洗滌過濾至中性，烘干后得到碳纖維材料。

2.3 物理性能測試

圖1 室溫和180℃水熱條件下不同溶劑中制備出的竹材料的照片

圖2 不同濃度KOH溶液處理的竹材料的照片

材料的外觀形貌采用FEI捷克有限公司生產的掃描電子顯微鏡來進行；X射線衍射測試采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀，工作電壓和電流分別為40kV，250mA，連續掃描測試材料，具體掃描范圍2θ為10°～80°；拉曼測試采用英國INVIA型號的儀器；傅立葉變換紅外光譜采用KBr壓片法，由德國Bruker公司的Tensor-27型紅外光譜儀測定；樣品的照片由Nikon COOLPIX s4300型的數碼相機獲取。

表1 不同濃度KOH溶液處理前后竹材料的質量及損失率

3 結果與討論

3.1 反應溶劑和溫度的影響

圖1為室溫和180℃下不同溶劑中（H2O、H2SO4、KOH）制備出的竹材料的照片。室溫下的硫酸溶液與純水條件下的竹材料沒有變化，因此它們無法提取出竹纖維。而室溫下KOH溶液使竹材料顏色變黃，但無法提取出竹纖維。180℃條件下的純水使材料發生了輕微的碳化，顏色變成棕色，竹纖維并沒有被提取出來。180℃條件下的硫酸溶液雖然能提取出少量的竹纖維，但是卻有著巨大質量損失。只有KOH溶液在180℃條件下可以提取出竹纖維，這是由于廢棄的竹筷作為一種生物質，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，在180℃水熱條件下，高濃度的堿液可以溶解半纖維素和木質素，而對纖維素的影響不大[3-4]。因此，竹子經180℃KOH溶液的水熱處理后，呈纖維狀的纖維素保留下來，從而得到竹纖維。

3.2 KOH濃度的影響

利用水熱法分別制備出在1-6M KOH溶液條件下（180℃）的竹材料的照片如圖2所示。觀察實驗后的竹纖維，對比實驗數據，我們發現，1M與2M在實驗前后的質量損失為0.3645g和0.3926g，雖然比其他濃度的KOH溶液的低，但從圖2中我們可以看出，竹材料并沒有變為纖維狀，因此較低濃度的KOH溶液不能將竹纖維提取出來。而4M、5M和6M可以提取出竹纖維，但質量損失達到了0.4737g、0.4885g和0.5459g，高出KOH溶液的0.4376g。而且，從表1中我們也可以發現，竹材料的質量損失與KOH溶液的濃度是高度相關的，1M條件下的質量損失率為36.45%，6M時達到了54.59%。因此，KOH溶液濃度越高，竹材料的質量損失就越大。而3M KOH溶液在180℃條件下不僅可以提取出竹纖維，它的質量損失也比其它的低。考慮到制造竹纖維的效率以及成本，最終選擇3M KOH溶液處理過的竹材料進行碳化并進行物理性能表征。

將3M KOH溶液180℃水熱處理后的竹纖維在800℃的氮氣氣氛下碳化4h，冷卻至室溫后得到碳纖維材料，所得碳纖維樣品為黑色固體，為典型的碳材料的顏色[5]，且從外觀上呈細長的纖維狀，表明我們所獲得的樣品為碳纖維。

3.3 碳纖維的物理性能表征

圖4 碳纖維的XRD圖譜

從圖4中可以看出，在20°左右出現一個較寬衍射峰，這說明制備出的生物質碳材料的主要存在形式為無定型碳。在圖譜的44°也存在衍射峰，它對應著石墨的（100）晶面，這表示碳纖維具有一定的石墨化度[6]。

從圖5可以發現，有兩個峰比較明顯。左側的對應拉曼位移1360cm-1處的峰位被稱為D峰，表明晶體結構中缺陷的數量，缺陷數量越多說明無序化程度越高。而右側的對應拉曼位移1600cm-1處的為G峰，表明碳材料具有一定的石墨化度，同時也驗證了XRD衍射分析的結果。在實驗研究中，通常將D峰與G峰強度比值ID/IG當作碳基材料的混亂度因子。樣品ID/IG的值為1.04，這說明碳纖維材料內部的有一定的缺陷程度[7]。

圖6是碳纖維的傅立葉紅外光譜圖。從圖中可以發現，樣品在3200-3500cm-1處存在一個峰，這是羥基的吸收峰，在1610cm-1和1730cm-1處的吸收峰屬于C=C（芳香環）振動峰和C=O（酯、羧基或者羰基）振動峰，說明了生物質碳材料表面有較多的含氧官能團，具有一定的功能性[8-9]。

圖5 碳纖維的拉曼光譜圖

圖6 碳纖維的紅外光譜圖

4 結論

通過以廢棄竹筷為原料，探討了不同的反應溶劑和溫度、KOH濃度對竹纖維提取的影響，隨后對得到的竹纖維進行惰性氣氛下的碳化，得到碳纖維材料，結論主要有：

（1）硫酸溶液雖然能在180℃水熱條件下能夠提取出少量的竹纖維，但有著巨大質量損失。KOH溶液對竹材料中的竹纖維提取效果最好，但在室溫下由于溫度太低無法提取出竹纖維。所以要選擇180℃作為溫度條件。

（2）1M與2M KOH溶液雖然可以讓竹材料的質量損失較小，但由于其濃度不夠，不能夠完全提取出竹纖維，所以本實驗選擇了可以完全提取竹纖維并且能使質量損失較低的3M KOH溶液進行水熱反應制備竹纖維。

（3）對碳化后的碳纖維樣品進行物理性能表征之后發現，碳纖維分布均勻，有著纖維結構和較大的長徑比，長度可達20-200μm，直徑大約3-5μm，并且以無定型碳為主，具有一定的石墨化度，表面富含含氧官能團。

[1]郭海霞，左月明，張虎.生物質能利用技術的研究進展[J].農機化研究，2011，33(6):178-185.

[2]楊喜，劉杏娥，馬建鋒等.生物質基碳氣凝膠制備及應用研究[J].材料導報，2017(7):45-53.

[3]張長存.生物質碳材料的制備及其性能研究[D].濟南：山東建筑大學，2016.

[4]楊坤彬，彭金輝等.CO2活化制備椰殼基活性炭[J].炭素技術，2010，29(1)：20-23.

[5]王曉瑞，沈旭佳，錢蕙春等.化學活化法制備玉米芯基多孔炭材料[J].炭素技術，2010，29(2)：16-19.

[6]陳景華，侯貴華.KOH作用下稻殼制備高比表面積活性炭的研究[J].材料導報，2009，23(10)：90-92.

[7]李穎，黃正宏，康飛宇.山楂核渣制備活性炭的研究[J].炭素技術,2004,23(6):5-9.

[8]孔絲紡，姚興成，張江勇等.生物質炭的特性及其應用的研究進展[J].生態環境學報，2015，24(4)：716-723.

[9]李仕蛟，禚淑萍，周晉.N,S雙摻雜活性炭的制備及其電化學電容性能[J].山東理工大學學報(自然科學版)，2014，28(3)：8-13.

The experimental study on preparation of carbon fibers from waste bamboo chopsticks

Yuan Haiwei You Wenhui Fan Jiaxin
(Patent Examination Cooperation Henan Center of The Patent Office,SIPO,Zhengzhou 450000,Henan,China)

In this paper,waste bamboo chopsticks are used as raw materials to produce carbon fibervia a combined hy?drothermal method andcarbonization process.The carbon fibers are characterized by XRD,Raman spectra and FTIR. Results shows that the carbon fiber are mainly amorphous carbon,and are of a certain degree of graphitization with the fiber structure,which is covered with a large amount of wrinkles.Its length is up to 20—200 μm,and the diame?ter is about 3—5μm.In addition,there are a large number of oxygen-containing functional groups on the surface of carbon fiber.The result of this experimental study shows that carbon fibers produced from waste bamboo chopsticks have certain research values.

biomass carbon;hydrothermal method;waste bamboo chopsticks;physical characterization.

TQ340.9

A

1003-5168(2017)05-0048-04

2017-4-17

苑海威（1985-），男，碩士，研究方向：發明專利實質審查；尤文卉（1990-），女，碩士，研究方向：發明專利實質審查（等同于第一作者）。