本发明涉及功能纤维材料，尤其涉及一种腈纶短纤基碳纤维及其制备方法和应用。
背景技术：
1、活性炭纤维(acf)相较于颗粒、粉末活性炭具有更优异的性质，被称为第三代碳材料，按照制备前驱体可分为黏胶基、腈纶基、酚醛基、沥青基、纤维素基碳纤维等，其中腈纶基碳纤维(pan-acf)占碳纤维产量90％以上。我国腈纶纤维年产量约58万吨，原料较为丰富。现有的腈纶基碳纤维制备主要包括纺丝液制备—预氧化—碳化—活化(工艺如图1所示)，在处理平行排布纤维时，预氧化过程中会产生较大的热收缩，一方面纤维大分子链自然卷曲产生物理收缩，另一方面大分子环化过程中发生化学收缩。为了保证大分子主链结构对纤维轴的择优取向，保持纤维的平行排列状态，预氧化、碳化连续化生产中需要施加一定张力，否则会出现碳纤维材料产率降低和结团的问题。而且，目前工业上只能以腈纶原丝生产长纤腈纶基碳纤维，难以实现以腈纶短纤生产腈纶基碳纤维。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种腈纶短纤基碳纤维及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法实现了腈纶短纤基碳纤维的制备，且无需施加张力，基本不破坏腈纶短纤维状形态，纤维不结团。
2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
3、本发明提供了一种腈纶短纤基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
4、将腈纶短纤维和有机多胺溶液混合进行胺化反应，得到胺化短纤维；
5、将所述胺化短纤维进行碳化后，与无机碱混合进行活化，得到所述腈纶短纤基碳纤维。
6、优选地，所述有机多胺溶液中的有机多胺包括乙二胺、三乙烯四胺、聚乙烯亚胺、对苯二胺和2,6-二氨基吡啶中的一种或几种；所述有机多胺溶液的体积百分数为10～100％，所述腈纶短纤维与有机多胺溶液的用量比为1g:(40～100)ml；所述胺化反应的温度为100～140℃，时间为3～12h。
7、优选地，所述碳化前，还包括将所述胺化短纤维在无机金属盐的溶液中浸渍后，与有机配体的溶液混合进行第一配位反应，得到金属配合物负载短纤维；
8、或者，将所述胺化短纤维与无机金属盐和有机配体的混合溶液混合进行第二配位反应，得到金属配合物负载短纤维；
9、所述无机金属盐为铜盐和/或锌盐，所述有机配体为苯甲酸类化合物和/或咪唑类化合物，所述苯甲酸类化合物包括均苯三甲酸、对苯二甲酸、邻苯二甲酸和苯甲酸中的一种或几种，所述咪唑类化合物包括2-甲基咪唑和/或氯化1-丁基-3-甲基咪唑。
10、优选地，所述无机金属盐的溶液的浓度为2～40g/l，所述浸渍的温度为室温，时间为20～60min；所述有机配体的溶液中有机配体的浓度为5～50g/l，所述第一配位反应的温度为90～120℃，时间为5～24h。
11、优选地，所述无机金属盐和有机配体的混合溶液中无机金属盐的浓度为0.70～20g/l，有机配体的浓度为1.70～25g/l；所述第二配位反应的温度为90～120℃，时间为5～24h。
12、优选地，所述有机配体的溶液或所述无机金属盐和有机配体的混合溶液中还包括表面活性剂，所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇、十二烷基硫酸钠和n-(2-羟乙基)十二烷基酰胺中的一种或几种。
13、优选地，所述碳化包括依次进行的第一阶段和第二阶段，所述第一阶段在空气气氛中进行，所述第一阶段的温度为150～250℃，空气流量为50～200ml/min，保温时间为30～150min，由室温升温至所述第一阶段的温度的升温速率为2.5～5℃/min；所述第二阶段在氮气气氛中进行，所述第二阶段的温度为600～900℃，氮气流量为50～200ml/min，保温时间为50～150min，由第一阶段的温度升温至第二阶段的温度的升温速率为10～15℃/min。
14、优选地，所述无机碱包括koh、naoh、k2co3和na2co3中的一种或几种；所述活化在氮气气氛中进行，所述活化的温度为800～900℃，氮气流量为50～200ml/min，保温时间为30～150min，由室温升温至所述活化的温度的升温速率为5～15℃/min。
15、本发明提供了以上技术方案所述制备方法制备得到的腈纶短纤基碳纤维。
16、本发明提供了以上技术方案所述腈纶短纤基碳纤维在硫化氢气体吸附中的应用。
17、本发明提供了一种腈纶短纤基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：将腈纶短纤维和有机多胺溶液混合进行胺化反应，得到胺化短纤维；将所述胺化短纤维进行碳化后，与无机碱混合进行活化，得到所述腈纶短纤基碳纤维。在本发明中，所述腈纶短纤维的氰基发生水解，与所述有机多胺发生胺化反应，生成酰胺、仲胺基等官能团，形成网状交联结构，能够提高纤维的热稳定性；进一步地，本发明通过负载金属离子(铜离子和/或锌离子)，金属离子与仲胺基中氮原子形成me-n键；负载金属离子与有机配体(苯甲酸类化合物、咪唑类化合物)进行配位反应。本发明通过水解、胺化和进一步的配位反应形成较为稳定的交联结构和负载热稳定性好的元素，提高纤维的热稳定性，减少其在后续碳化和活化过程中的质量损失，同时避免出现纤维结团的现象。本发明再通过碳化和活化，制备得到高比表面积、具有微孔结构特征的腈纶短纤基碳纤维。本发明实现了腈纶短纤基碳纤维的制备，且无需施加张力，并且基本不破坏腈纶短纤维状形态，不结团，有利于进行后续加工为吸附材料。本发明能够拓宽腈纶基碳纤维原料范围，满足腈纶短纤acf功能化设计制备。
18、本发明提供了以上技术方案所述制备方法制备得到的腈纶短纤基碳纤维。本发明提供的腈纶短纤基碳纤维的比表面积达到800～1100m2/g，具有微孔结构特征，孔径1.7～2.0nm。
19、本发明提供了以上技术方案所述腈纶短纤基碳纤维在硫化氢气体吸附中的应用。本发明通过胺化反应在腈纶短纤维中引入氮元素，进一步通过配位负载金属元素，氮元素和金属元素的引入，能够与硫化氢发生化学吸附，同时，所述腈纶短纤基碳纤维具有高比表面积和有微孔结构特征，能够与硫化氢发生物理吸附，因此本发明提供的腈纶短纤基碳纤维具有良好的硫化氢气体吸附性能，对硫化氢吸附容量为19～54mg/g，在含硫化氢废气净化技术领域具有应用潜力。
1.一种腈纶短纤基碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机多胺溶液中的有机多胺包括乙二胺、三乙烯四胺、聚乙烯亚胺、对苯二胺和2,6-二氨基吡啶中的一种或几种；所述有机多胺溶液的体积百分数为10～100％，所述腈纶短纤维与有机多胺溶液的用量比为1g:(40～100)ml；所述胺化反应的温度为100～140℃，时间为3～12h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在，所述碳化前，还包括将所述胺化短纤维在无机金属盐的溶液中浸渍后，与有机配体的溶液混合进行第一配位反应，得到金属配合物负载短纤维；
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述无机金属盐的溶液的浓度为2～40g/l，所述浸渍的温度为室温，时间为20～60min；所述有机配体的溶液中有机配体的浓度为5～50g/l，所述第一配位反应的温度为90～120℃，时间为5～24h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述无机金属盐和有机配体的混合溶液中无机金属盐的浓度为0.70～20g/l，有机配体的浓度为1.70～25g/l；所述第二配位反应的温度为90～120℃，时间为5～24h。
6.根据权利要求3～5任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述有机配体的溶液或所述无机金属盐和有机配体的混合溶液中还包括表面活性剂，所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇、十二烷基硫酸钠和n-(2-羟乙基)十二烷基酰胺中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化包括依次进行的第一阶段和第二阶段，所述第一阶段在空气气氛中进行，所述第一阶段的温度为150～250℃，空气流量为50～200ml/min，保温时间为30～150min，由室温升温至所述第一阶段的温度的升温速率为2.5～5℃/min；所述第二阶段在氮气气氛中进行，所述第二阶段的温度为600～900℃，氮气流量为50～200ml/min，保温时间为50～150min，由第一阶段的温度升温至第二阶段的温度的升温速率为10～15℃/min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机碱包括koh、naoh、k2co3和na2co3中的一种或几种；所述活化在氮气气氛中进行，所述活化的温度为800～900℃，氮气流量为50～200ml/min，保温时间为30～150min，由室温升温至所述活化的温度的升温速率为5～15℃/min。
9.权利要求1～8任意一项所述制备方法制备得到的腈纶短纤基碳纤维。
10.权利要求9所述腈纶短纤基碳纤维在硫化氢气体吸附中的应用。
