一种表面巯基化碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面巯基化碳纤维及其制备方法，涉及环保材料技术领域。本发明专利技术提供的表面巯基化碳纤维及其制备方法，通过使用碳纤维作为基材，将碳纤维用丙酮和硝酸的混合溶液处理得到富集羟基的碳纤维表面，再以硫酸氢钠为催化剂，在反应介质DMF中与巯基乙酸等含有巯基的氨基酸进行反应得到具有强吸附性的表面巯基化碳纤维，解决了碳纤维对污染物的吸附能力不足的技术问题，达到了增强碳纤维对污染物的吸附能力的技术效果，且表面巯基化改性碳纤维的制备过程简单，成本较低，便于产业化生产。

A surface mercapto carbon fiber and its preparation method

The invention discloses a surface sulfhydryl carbon fiber and a preparation method thereof, relating to the technical field of environmental protection materials. The present invention provides a surface mercapto carbon fiber and its preparation method. By using carbon fiber as a substrate, carbon fibers are treated with acetone and nitric acid in a mixed solution to get the surface of the hydroxyl enriched carbon fiber, and then the sodium hydrogen sulfide is used as the catalyst to react with the amino acid containing the sulfhydryl group such as Qiu Jiyi acid in the reaction medium DMF. The surface mercapto carbon fiber with strong adsorbability has been obtained, which solves the technical problem of insufficient adsorption capacity of carbon fibers to pollutants, and achieves the technical effect of enhancing the adsorption capacity of carbon fibers to pollutants. The preparation process of the surface mercapto modified carbon fiber is simple, the cost is low, and it is convenient for industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种表面巯基化碳纤维及其制备方法
本专利技术涉及环保材料
，特别涉及一种表面巯基化碳纤维及其制备方法。
技术介绍
环境污染问题已成为人们关注的焦点问题，而水中重金属污染是一个极为重要的环境保护问题。重金属是环境中的一类重要污染物，由于其具有毒性大，不能被生物降解，易累积等特征，因此一旦进入水体及土壤环境，就很难从环境中去除。其既可造成生态环境的恶化，还可进入食物链，对人体造成巨大危害。但常常由于某些主观原因或客观原因使其未经处理达标就被排入河流、湖泊或海洋，或者进入了土壤中，导致水环境和土壤环境受到污染。水中重金属元素的来源包括矿山开采过程产生的废水、选冶生产过程产生的废水、金属加工过程产生的废水以及电镀过程产生的废水。通常去除水中重金属的方法很多，吸附法是常用的有效方法之一。因此，近些年来，开发新型、高效的重金属吸附材料一直是环保领域研究的热点之一。碳纤维是有机纤维在1000℃以上的高温下炭化，且含碳量在90%以上的高性能纤维，碳纤维材料具有发达的表面微孔结构和较大的比表面积，碳纤维孔径分布狭窄且均匀，可以通过吸附作用去除对水溶液的污染物，对水溶液中的有机物和重金属离子等有较大的吸附容量和较快的吸附速率，对低浓度吸附质仍保持有较高的吸附量。因此，碳纤维在水处理中的应用具有较为广泛的前景。然而，现有使用碳纤维进行水溶液去污染的过程中，由于碳纤维对有机物和重金属离子等污染物质的吸附能力有限，碳纤维的使用量往往较大，使用碳纤维对水污染进行处理的成本较高。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种表面巯基化碳纤维及其制备方法，对碳纤维进行了巯基化表面改性，将巯基基团接枝到碳纤维表面，利用巯基基团的配合能力来提高其对重金属的吸附性能。根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种表面巯基化碳纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括：采用常温液相氧化法对碳纤维进行表面处理，将表面处理后的所述碳纤维置于丙酮和硝酸的混合溶液中浸泡至少60min；将浸泡后的所述碳纤维使用去离子水洗涤至pH=7后，放入烘箱内进行烘干，得到羟基改性碳纤维，其中，烘干温度为80℃，烘干时长为3~4h；分别将8g所述羟基改性碳纤维与0.125g催化剂NaHSO4•H2O置于容器中进行混合，再向所述容器依次加入12.5mL反应介质DMF和25mL巯基化试剂，控制所述容器中的所述羟基改性碳纤维在105℃~130℃的反应温度下反应至少2h后，将所述容器中的溶液冷却至室温；向所述容器加入30gNa2S•9H2O和125mL无水乙醇介质，磁力搅拌至少0.5h后进行减压过滤，将减压过滤得到的滤渣使用去离子水进行充分洗涤后，置于真空干燥箱进行烘干，制备得到表面巯基化碳纤维，其中，烘干温度为60℃。在一个优选的实施例中，所述混合溶液中丙酮和硝酸的体积比为1:30~1:50。在一个优选的实施例中，所述巯基化试剂为含有巯基基团的氨基酸中的至少一种。在一个优选的实施例中，所述混合溶液中丙酮和硝酸的体积比为1∶38。在一个优选的实施例中，所述羟基改性碳纤维在所述反应介质DMF中与所述巯基化试剂的反应温度为120℃。在一个优选的实施例中，所述羟基改性碳纤维在所述反应介质DMF中与所述巯基化试剂的反应时长为3h。根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种表面巯基化碳纤维，所述表面巯基化碳纤维由上述任一所述的方法制备得到。与现有技术相比，本专利技术提供的一种表面巯基化碳纤维及其制备方法具有以下优点：本专利技术提供的表面巯基化碳纤维及其制备方法，通过使用DMF作为反应介质，使碳纤维的活化前处理过程和有机反应过程同时发生，节省了改性时间；同时，利用巯基乙酸含有的羧基与碳纤维表面的羟基发生酯化反应，从而引入巯基；与现有技术使用浓硫酸作酯化反应的催化剂不同，本专利技术选用温和、高效的硫酸氢钠作为酯化反应的催化剂，大大降低了反应的活化能，提高了反应速率；在碳纤维巯基化制备的过程中，关键是解决巯基不稳定容易被氧化为二硫化物的问题，本专利技术采用Na2S最终还原的方法确保制备的重金属离子吸附剂含有足够巯基，并且易于保存。本专利技术通过选择合适的反应介质和反应温度，在催化剂作用下，使得巯基乙酸含有的羧基能够和碳纤维中羟基上的氢脱水生成酯，并采用Na2S进行还原保护，成功制备出相较碳纤维吸附能力更强的巯基化改性碳纤维，从而解决了碳纤维对污染物的吸附能力不足的技术问题，达到了增强碳纤维对污染物的吸附能力的技术效果，且表面巯基化改性碳纤维的制备过程简单，成本较低，便于产业化生产。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1是根据一示例性实施例示出的表面巯基化碳纤维的制备方法流程图。具体实施方式以下结合具体实施例（但不限于所举实施例)详细描述本专利技术，本实施例的具体方法仅供说明本专利技术，本专利技术的范围不受实施例的限制，本专利技术在应用中可以作各种形态与结构的修改与变动，这些基于本专利技术基础上的等价形式同样处于本专利技术申请权利要求保护范围。实施例1图1是根据一示例性实施例示出的一种表面巯基化碳纤维的制备方法的方法流程图，如图1所示，该方法包括：步骤101，采用常温液相氧化法对碳纤维进行表面处理，将表面处理后的所述碳纤维置于丙酮和硝酸的混合溶液中浸泡至少60min。步骤102，将浸泡后的所述碳纤维使用去离子水洗涤至pH=7后，放入烘箱内进行烘干，得到羟基改性碳纤维，其中，烘干温度为80℃，烘干时长为3~4h。步骤103，分别将8g所述羟基改性碳纤维与0.125g催化剂NaHSO4•H2O置于容器中进行混合，再向所述容器依次加入12.5mL反应介质DMF和25mL巯基化试剂，控制所述容器中的所述羟基改性碳纤维在105℃~130℃的反应温度下反应至少2h后，将所述容器中的溶液冷却至室温。步骤104，向所述容器加入30gNa2S•9H2O和125mL无水乙醇介质，磁力搅拌至少0.5h后进行减压过滤，将减压过滤得到的滤渣使用去离子水进行充分洗涤后，置于真空干燥箱进行烘干，制备得到表面巯基化碳纤维，其中，烘干温度为60℃。在一个优选的实施例中，所述混合溶液中丙酮和硝酸的体积比为1:30~1:50。在一个优选的实施例中，所述巯基化试剂为含有巯基基团的氨基酸中的至少一种。比如，巯基化试剂为巯基乙酸、巯基丙酸或半胱氨酸。在一个优选的实施例中，所述混合溶液中丙酮和硝酸的体积比为1∶38。在一个优选的实施例中，所述羟基改性碳纤维在所述反应介质DMF中与所述巯基化试剂的反应温度为120℃。在一个优选的实施例中，所述羟基改性碳纤维在所述反应介质DMF中与所述巯基化试剂的反应时长为3h。本专利技术提供的表面巯基化碳纤维及其制备方法，通过使用DMF作为反应介质，使碳纤维的活化前处理过程和有机反应过程同时发生，节省了改性时间；同时，利用巯基乙酸含有的羧基与碳纤维表面的羟基发生酯化反应，从而引入巯基；与现有技术使用浓硫酸作酯化反应的催化剂不同，本专利技术选用温和、高效的硫酸氢钠作为酯化反应的催化剂，大大降低了反应的活化能，提高了反应速率；在碳纤维巯基化制备的过程中，关键是解决巯基不稳定容易被氧化为二硫化物的问题，本专利技术采用Na2S最终还原的方法确保制备的重金属离子吸附剂含有足够巯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面巯基化碳纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括：采用常温液相氧化法对碳纤维进行表面处理，将表面处理后的所述碳纤维置于丙酮和硝酸的混合溶液中浸泡至少60min；将浸泡后的所述碳纤维使用去离子水洗涤至pH=7后，放入烘箱内进行烘干，得到羟基改性碳纤维，其中，烘干温度为80℃，烘干时长为3~4h；分别将8g所述羟基改性碳纤维与0.125g催化剂NaHSO4•H2O置于容器中进行混合，再向所述容器依次加入12.5mL反应介质DMF和25mL巯基化试剂，控制所述容器中的所述羟基改性碳纤维在105℃~130℃的反应温度下反应至少2h后，将所述容器中的溶液冷却至室温；向所述容器加入30gNa2S•9H2O和125mL无水乙醇介质，磁力搅拌至少0.5h后进行减压过滤，将减压过滤得到的滤渣使用去离子水进行充分洗涤后，置于真空干燥箱进行烘干，制备得到表面巯基化碳纤维，其中，烘干温度为60℃。

【技术特征摘要】
1.一种表面巯基化碳纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括：采用常温液相氧化法对碳纤维进行表面处理，将表面处理后的所述碳纤维置于丙酮和硝酸的混合溶液中浸泡至少60min；将浸泡后的所述碳纤维使用去离子水洗涤至pH=7后，放入烘箱内进行烘干，得到羟基改性碳纤维，其中，烘干温度为80℃，烘干时长为3~4h；分别将8g所述羟基改性碳纤维与0.125g催化剂NaHSO4•H2O置于容器中进行混合，再向所述容器依次加入12.5mL反应介质DMF和25mL巯基化试剂，控制所述容器中的所述羟基改性碳纤维在105℃~130℃的反应温度下反应至少2h后，将所述容器中的溶液冷却至室温；向所述容器加入30gNa2S•9H2O和125mL无水乙醇介质，磁力搅拌至少0.5h后进行减压过滤，将减压过滤得到的滤渣使用去离...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰平，吕佳，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33