由棉和聚酯纤维混合物制备活性炭纤维
曹文魏学习翻译
活性炭纤维（ACF）是一种吸引越来越多研究关注的新型材料。具体而言，纤维混合物的ACF生产被认为是重复使用废布和纤维的有用方法。然而，现有研究没有彻底研究前述混合物在ACF制备中的用途。在本研究中，我们描述了由棉和聚酯纤维的混合物制备ACF，并讨论了制备过程中遇到的问题的解决方案。我们试图通过使用ACF图像的灰度强度来确定非破坏性方法。该方法具有潜在的前景，我们期望它可以在进一步改进后用于吸附评估。
活性炭纤维（ACF）引起了人们的极大关注因为其表面的孔隙具有吸附和保留不需要的物质的潜力。因此，ACF被认为是活性炭的潜在替代品，其通常用作过滤器以去除废物。活性炭纤维吸附的常用评价方法包括亚甲蓝（MB），汞渗透或氮吸附法。MB方法很简单，只需要很少的时间。
在大多数研究中，ACF仅由单一材料制备。Sugumaran等。报道了由香蕉空果束（BEFB）和Delonix reGIa果荚（DRFP）产生的ACF，以及一组报道了由丝绸制备的ACF。然而，预期从纤维混合物生产ACF将构成一种生态友好的方法，其重复使用废布和纤维材料。在先前的研究中，我们确定源自纤维混合物的ACF的吸附能力不会有效增加。聚酯的熔点为260°C，这低于本研究中使用的温度。因此，聚酯在热处理过程中液化并导致聚酯纤维封闭棉，人造丝和其它纤维中产生的孔隙。因此，由非聚酯纤维产生的孔结构表现出较低的吸附倾向。与通过使用两步热处理制备的ACF相比，通过使用一步热处理产生的ACF表现出更高的亚甲蓝（MB）吸附。这表明碳化纤维的孔结构在聚酯存在下反复加热而关闭。
图1。（A）未处理棉和（B）未处理聚酯的图像。
首先，我们考虑在氮气下进行处理。在氮气下由棉，聚酯和棉 - 聚酯制备的ACF的典型图像分别显示在图 2A ，B和C中。在超过400℃的温度下，来自棉花的ACF对应于易碎的黑布（图 2A）。衍生自聚酯的ACF对应于200℃的白布，白色布在400℃下与黄色粉末混合，和在600℃下的黄色粉末（图 2B）。对于来自棉和聚酯混合物的ACF，观察到棉和聚酯的特性（图 2C）。
图2。碳化纤维的图像在氮气下在几个温度下由（A）棉（i）C-200N，（ii）C-400N和（iii）C-600N）得到; （B）聚酯（i）P-200N，（ii）P-400N，和（iii）P-600N）; （C）棉 - 聚酯（i）CP-200N，（ii）CP-400N，和（iii）CP-600N。
其次，我们描述了在二氧化碳下制备的ACF。在二氧化碳下由棉，聚酯和棉 - 聚酯制备的ACF的典型图像分别示于图3A，B和C. 二氧化碳样品更脆弱，尽管在二氧化碳下来自棉花的ACF类似于在氮气下制备的那些。（图3A）。在二氧化碳下由聚酯衍生的ACF在200℃下显示为白色布，并且在400℃和600℃下与白色颗粒一起混合有稍厚且硬的布（图 3B）。据报道，在二氧化碳条件下结晶的聚乳酸也有类似的结果[15]。如果ACF衍生自棉 - 聚酯混合物，图像描绘的特征显示为棉和聚酯状态的混合物（图3C ）。总之，对于在二氧化碳下的热处理，与粉末相比，棉更脆弱并且聚酯更多地是颗粒和硬布的混合物。这与用氮气获得的结果形成对比。
图3。在（A）棉（i）C-200N，（ii）C-400N和（iii）C-600N）的几个温度下在二氧化碳下衍生的活化碳化纤维的图像; （B）聚酯（i）P-200N，（ii）P-400N，和（iii）P-600N）; （C）棉 - 聚酯（i）CP-200N，（ii）CP-400N，和（iii）CP-600N。
在氮气（图4A）和二氧化碳（图 4B）下热处理的聚酯和棉样品的计算平均GI 表明，当处理温度升高时，GI大多减少。聚酯在200℃和400℃下在氮气下的GI几乎没有差异。棉花样品在400℃和氮气下获得非常低的GI，并且在600℃下该值略高。
图4。基于（A）氮（C，C-200N，C-400N，C-600N，P，P-200N，P-400N，P）制备的每个样品的图像的100多个点的平均灰度强度（GI） -600N，CP，CP-200N，CP-400N和CP-600N）和（B）二氧化碳（C，C-200N，C-400N，C-600N，P，P-200N，P-400N，P -600N，CP，CP-200N，CP-400N和CP-600N）。通过将在每个温度下处理的样品的平均灰度强度值除以每个标准未处理样品的平均灰度强度值来计算这些值。灰度强度值由以下等式描述：T°C时的灰度强度（％）= T°C时的平均灰度强度/未处理样品的平均灰度强度。
样品体积总结在图5中，用于在氮气下（图5A）和二氧化碳（图 5B）对ACF进行热处理。除棉花样品外，当处理温度升高时，体积会减少。就棉花而言，体积在400℃时比在600℃时小。就聚酯而言，体积逐渐减少。
图5。对于在（A）氮气和（B）二氧化碳下处理的样品具有相应体积的活性碳纤维，如表1中所列。每个值对应于三个样本的平均值。计算的标准偏差值小于5％。
具体而言，MB被选择用于吸附测量，因为已知其强烈吸附活性炭材料[4]。典型的MB吸附值如图6所示，用于在氮气（图6A）和二氧化碳（图6B）下热处理ACF 。处理温度的增加增加了MB吸附。在二氧化碳下制备的样品表现出的吸附超过在相同温度下在氮气下制备的吸附。
图6。亚甲基蓝（MB）吸附活性碳化纤维（ACFs），初始MB浓度为120 mg / L，初始样品重量为1 g。每种样品在（A）氮气或（B）二氧化碳下制备。每个值对应于三个样本中的平均值。计算的标准偏差值小于5％。
对于在氮气下制备的棉花，在400℃下制备的样品表现出最高的吸附（图6A）。相反，对于在二氧化碳下处理的棉花，在600℃下制备的样品表现出最高的吸附（图6B）。当处理温度升高时，用二氧化碳制备的棉样品的MB吸附也增加。
对于在氮气下制备的聚酯，在600℃下制备的样品表现出最高的吸附（图6A）。P-200N和P-400N的吸附均低于未处理的P（图6A）。对于在二氧化碳下制备的聚酯，在600℃下制备的样品表现出最高的吸附（图6B）。当处理温度升高时，在二氧化碳中制备的聚酯上的MB吸附也增加。
对于在氮气下制备的棉 - 聚酯混合物，在600℃下制备的样品表现出最高的吸附（图6A）。CP-400N的吸附低于CP-200N的吸附（图6A）。对于在二氧化碳下制备的样品，在600℃下制备的样品表现出最高的吸附（图6B）。然而，在氮气和二氧化碳下制备的CP-400N样品的吸附率低于未处理的CP（图6B）。
这些结果表明，棉和聚酯的混合物应在600℃下在二氧化碳下处理，以制备具有最高吸附的ACF。这证实了棉和聚酯的混合物可以用于制备更好的ACF，并且通过进一步优化可以允许甚至从布混合物制备优异的ACF。
源自棉花的活性碳纤维具有最低的灰度指数和体积（％）以及在400℃下在氮气中热处理的最高MB吸附。在600℃ 下进行二氧化碳气体处理时，这些趋势相匹配。结果非常有趣。这些事实可能与活性碳纤维上的孔结构有关。它们讨论如下。
吸附需要活性碳纤维上的最佳孔径。当棉花在较高温度下处理时，最佳的孔隙结构被破坏。这一发现与先前研究[16]中获得的结果一致。该研究涉及用ZnCl 2从棉制备活性炭纤维。该研究还检测了MB吸附。在这种情况下，500°C对应于最佳温度。在本研究中，我们在氮气或二氧化碳气体下制备了来自棉花的活性炭纤维。对于在氮气和二氧化碳气体下分别来自棉花的活性炭纤维，产生最佳孔径的最佳处理温度相当于400℃和600℃。孔结构尺寸与灰度强度值有关，因为在最佳温度下光吸收较高。另外，最佳结构可构成这些温度下的最低体积。
评估ACF吸收能力的简单且无损的方法具有巨大的价值。具体而言，MB吸附方法需要破坏ACF样品。因此，我们通过使用从使用普通数码相机拍摄的图像得到的GI值来研究测量ACF吸收能力的可能性。报告了类似的液晶 评估方法和文化资产。为了评估这种方法，我们使用了20个数据点来计算吸附与GI之间的相关系数。尽管相关系数（r = 0.6）不高，但该值表明MB吸附和GI略微相关。另外，GI与光吸收有关。潜在地，调整波长，亮度的入射光，或使用过滤的光的可能导致更好的相关性。因此，通过进一步开发，该方法可用于评估吸附能力而无需样品破坏。研究结果表明，简单的图像分析可用于评估ACF的吸附能力。
图7。活性碳化纤维（ACF）样品的平均灰度强度（GI）与亚甲蓝（MB）吸附。应用该方法并在20种不同的ACF样品上进行比较。单个GI值基于每个图像超过100个点。计算出吸附与GI之间的相关系数（r = 0.6）。
在这项研究中，我们通过在不同的热处理条件下使用棉和聚酯纤维的各种组合制备ACF，并对产品及其吸附能力进行表征。MB吸附实验的结果表明，热处理对于制备衍生自包括聚酯的纤维混合物的ACF是有效的。该结果可用于更好地理解衍生自混合纤维废物的ACF的吸附能力，所述混合纤维废物包括具有低熔点的纤维，例如聚酯。此外，结果表明MB吸附值和样品的平均GIs是相关的，我们提出了一种简单的方法来评估ACFs的吸附能力而没有样品破坏的可能性。
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