废弃竹筷制备碳纤维的实验研究

苑海威 尤文卉 樊佳欣

废弃竹筷制备碳纤维的实验研究

苑海威 尤文卉 樊佳欣

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450000）

本文以废弃竹筷为原材料，利用水热法和碳化相结合的工艺制备出碳纤维，并对得到的碳纤维进行XRD、Raman和FTIR等表征，结果表明，碳纤维主要以无定型碳为主，具有一定的石墨化度，且为纤维结构，表面覆盖大量褶皱，长度可达20—200 μm，直径约为3—5μm，另外碳纤维表面还有大量的含氧官能团，因此具有一定的研究价值。

生物质碳；水热法；废弃竹筷；物理性能表征

1 引言

当今世界传统能源消耗的速度过快，我们急需寻找一种绿色环保、价格便宜的可再生能源来代替传统能源。而生物质碳材料因具有来源广泛、价格便宜、再生性强等优点，可以满足我们人类的需要[1]。生物质碳材料不仅具有碳材料基本的物理化学性质，还因为具有较大的比表面积、丰富的表面含氧官能团和较高的活性，它的性能表现要更为出色。当前最普遍的制备方法主要有热分解法、微波碳化法、气相沉积法和水热法等[2]。其中，水热法因具有设备要求低，操作简单，过程好控制，能耗较低，绿色环保等优点。

生物质碳材料是指生物有机材料在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。而竹筷作为生物质资源的一种，在中国可以说是随处可见。因此，本文以废弃竹筷为原材料，利用水热法和碳化相结合的工艺制备出碳纤维。

2 实验部分

2.1 原料与试剂

废弃竹筷，来自于餐厅；盐酸，分析纯，洛阳昊华化学试剂有限公司；硫酸，分析纯，洛阳昊华化学试剂有限公司；氢氧化钾，分析纯，天津市盛奥化学试剂有限公司；实验中均采用二次去离子水。

2.2 碳纤维的制备

将竹筷清洗干净，削成竹屑状。将1g竹屑投入到装有70mL的3M KOH溶液的不锈钢高压水热釜中。将水热釜放入180℃的电热恒温干燥箱中，4h后取出。待水热釜冷却到室温后，打开水热罐，取出样品，并进行洗涤抽滤，然后将样品放入温度为60℃的电热恒温干燥箱中烘干并称重。使用相同的方法分别制备出反应溶剂为水和硫酸（3M）条件下的样品。

同时，将1g竹材料分别投入到室温条件下的装有70mL的纯水、3M硫酸溶液以及3M KOH溶液的烧杯中，4h后将样品取出洗涤抽滤、烘干并称重。获得室温3种溶剂条件下的样品。

将得到的竹纤维样品放入洗净的坩埚中，放入高温气氛管式炉中，通入氮气。将管式炉以8℃/min的速率从室温升到800℃，碳化过程中要保证氮气充足不断。升至800℃后，保持温度4h。碳化结束后，取出坩埚中的样品，用盐酸洗涤过滤至中性，烘干后得到碳纤维材料。

2.3 物理性能测试

图1 室温和180℃水热条件下不同溶剂中制备出的竹材料的照片

图2 不同浓度KOH溶液处理的竹材料的照片

材料的外观形貌采用FEI捷克有限公司生产的扫描电子显微镜来进行；X射线衍射测试采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪，工作电压和电流分别为40kV，250mA，连续扫描测试材料，具体扫描范围2θ为10°～80°；拉曼测试采用英国INVIA型号的仪器；傅立叶变换红外光谱采用KBr压片法，由德国Bruker公司的Tensor-27型红外光谱仪测定；样品的照片由Nikon COOLPIX s4300型的数码相机获取。

表1 不同浓度KOH溶液处理前后竹材料的质量及损失率

3 结果与讨论

3.1 反应溶剂和温度的影响

图1为室温和180℃下不同溶剂中（H2O、H2SO4、KOH）制备出的竹材料的照片。室温下的硫酸溶液与纯水条件下的竹材料没有变化，因此它们无法提取出竹纤维。而室温下KOH溶液使竹材料颜色变黄，但无法提取出竹纤维。180℃条件下的纯水使材料发生了轻微的碳化，颜色变成棕色，竹纤维并没有被提取出来。180℃条件下的硫酸溶液虽然能提取出少量的竹纤维，但是却有着巨大质量损失。只有KOH溶液在180℃条件下可以提取出竹纤维，这是由于废弃的竹筷作为一种生物质，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，在180℃水热条件下，高浓度的碱液可以溶解半纤维素和木质素，而对纤维素的影响不大[3-4]。因此，竹子经180℃KOH溶液的水热处理后，呈纤维状的纤维素保留下来，从而得到竹纤维。

3.2 KOH浓度的影响

利用水热法分别制备出在1-6M KOH溶液条件下（180℃）的竹材料的照片如图2所示。观察实验后的竹纤维，对比实验数据，我们发现，1M与2M在实验前后的质量损失为0.3645g和0.3926g，虽然比其他浓度的KOH溶液的低，但从图2中我们可以看出，竹材料并没有变为纤维状，因此较低浓度的KOH溶液不能将竹纤维提取出来。而4M、5M和6M可以提取出竹纤维，但质量损失达到了0.4737g、0.4885g和0.5459g，高出KOH溶液的0.4376g。而且，从表1中我们也可以发现，竹材料的质量损失与KOH溶液的浓度是高度相关的，1M条件下的质量损失率为36.45%，6M时达到了54.59%。因此，KOH溶液浓度越高，竹材料的质量损失就越大。而3M KOH溶液在180℃条件下不仅可以提取出竹纤维，它的质量损失也比其它的低。考虑到制造竹纤维的效率以及成本，最终选择3M KOH溶液处理过的竹材料进行碳化并进行物理性能表征。

将3M KOH溶液180℃水热处理后的竹纤维在800℃的氮气气氛下碳化4h，冷却至室温后得到碳纤维材料，所得碳纤维样品为黑色固体，为典型的碳材料的颜色[5]，且从外观上呈细长的纤维状，表明我们所获得的样品为碳纤维。

3.3 碳纤维的物理性能表征

图4 碳纤维的XRD图谱

从图4中可以看出，在20°左右出现一个较宽衍射峰，这说明制备出的生物质碳材料的主要存在形式为无定型碳。在图谱的44°也存在衍射峰，它对应着石墨的（100）晶面，这表示碳纤维具有一定的石墨化度[6]。

从图5可以发现，有两个峰比较明显。左侧的对应拉曼位移1360cm-1处的峰位被称为D峰，表明晶体结构中缺陷的数量，缺陷数量越多说明无序化程度越高。而右侧的对应拉曼位移1600cm-1处的为G峰，表明碳材料具有一定的石墨化度，同时也验证了XRD衍射分析的结果。在实验研究中，通常将D峰与G峰强度比值ID/IG当作碳基材料的混乱度因子。样品ID/IG的值为1.04，这说明碳纤维材料内部的有一定的缺陷程度[7]。

图6是碳纤维的傅立叶红外光谱图。从图中可以发现，样品在3200-3500cm-1处存在一个峰，这是羟基的吸收峰，在1610cm-1和1730cm-1处的吸收峰属于C=C（芳香环）振动峰和C=O（酯、羧基或者羰基）振动峰，说明了生物质碳材料表面有较多的含氧官能团，具有一定的功能性[8-9]。

图5 碳纤维的拉曼光谱图

图6 碳纤维的红外光谱图

4 结论

通过以废弃竹筷为原料，探讨了不同的反应溶剂和温度、KOH浓度对竹纤维提取的影响，随后对得到的竹纤维进行惰性气氛下的碳化，得到碳纤维材料，结论主要有：

（1）硫酸溶液虽然能在180℃水热条件下能够提取出少量的竹纤维，但有着巨大质量损失。KOH溶液对竹材料中的竹纤维提取效果最好，但在室温下由于温度太低无法提取出竹纤维。所以要选择180℃作为温度条件。

（2）1M与2M KOH溶液虽然可以让竹材料的质量损失较小，但由于其浓度不够，不能够完全提取出竹纤维，所以本实验选择了可以完全提取竹纤维并且能使质量损失较低的3M KOH溶液进行水热反应制备竹纤维。

（3）对碳化后的碳纤维样品进行物理性能表征之后发现，碳纤维分布均匀，有着纤维结构和较大的长径比，长度可达20-200μm，直径大约3-5μm，并且以无定型碳为主，具有一定的石墨化度，表面富含含氧官能团。

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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，硕士，研究方向：发明专利实质审查；尤文卉（1990-），女，硕士，研究方向：发明专利实质审查（等同于第一作者）。