废旧粘胶织物水热碳化制备碳微球的研究

1 研究目的

我国废弃纺织品年产生量高达2 500 万t 之多，但目前循环利用方式较为有限，除了对极少部分废弃纺织品重新切割或开松加工成为低附加值的产品，绝大部分废弃纺织品被掩埋和焚烧。这样的处理方式不仅会造成大量的资源浪费，还会产生有害气体并滋生细菌，对大气、土壤及地下水造成严重污染。为寻求更加环保节能的回收利用方法，国内外相关研究者对废旧织物的回收利用进行了各种尝试［1-4］。在纺织品中，可再生纤维素类织物因其优良的服用性能被广泛应用，因而占比很大，其中粘胶纤维是最早被研制生产出的化学纤维［5］，也是目前再生纤维素纤维的主要品种。其制备原理是将植物纤维素经烧碱、二氧化硫处理制成纺丝溶液，再经湿法纺丝制成［6］。粘胶纤维的化学成分为纤维素，其大分子是由D-葡萄糖单元以β-1，4-糖苷键连接组成的大分子多糖，其含碳量高达44. 44%，因此是制备碳材料的优良原料［7］。

水热碳化法是用水做溶剂，在密闭的环境中对材料进行水热转化，该方法具有操作简单、成本低廉、绿色环保无污染等优点，因而成为废弃生物质资源化利用的研究热点。利用水热技术可将生物质转化为高附加值碳材料及其他能源产品。自2001 年研究人员首次成功利用蔗糖水热合成了分散良好的碳微球以来，相关研究者在利用葡萄糖、蔗糖、淀粉等低聚糖制备碳微球方面做了大量的研究工作。目前，制备碳微球的原料主要是葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素等生物质模型化合物［8-10］，但国内利用废弃再生纤维素织物制备碳微球的研究还鲜有报道。

碳微球是一种新型的功能碳材料，由于具有自烧结性能、化学稳定性、热稳定性、表面及界面特性、高比表面积、电化学性等优良性能，可以作为空心球状材料的制作模板以及碳基电池电极材料［11-13］；其表面含有丰富的官能团，在环境修复领域可用于吸附重金属离子及纺织染液中的染料等有害物质［14-15］；将贵金属负载到碳微球表面，还可以作为催化剂载体［16-17］，因此在诸多科技领域有着广阔的应用前景。因此本课题采用水热法，以废弃的粘胶织物为碳源，在反应釜内高温高压的环境下，对粘胶纤维进行水热碳化制备碳微球，研究反应温度和停留时间对粘胶纤维水热碳化过程及产物的影响，以期掌握再生纤维素纤维的水热法回收工艺及机理，为废弃纤维素类织物的规模化回收利用提供理论基础。

2 试验部分

2.1 材料和设备

废旧粘胶织物，来自废旧回收；无水乙醇为分析纯，购自天津市化学试剂公司；SX2 系列箱式电阻炉（SX2-12-10 型），上海齐欣科学仪器有限公司。

2.2 过程及表征

将废旧粘胶织物洗净烘干后剪成2 mm 粉末，称取1 g 粉末倒入40 mL 去离子水中，充分搅拌后将混合物装入带有内衬的高压反应釜中，将反应釜放入电阻炉中，升温至设定温度并停留一定时间，反应结束后取出反应釜自然冷却到室温，经过离心分离收集固体产物，并用乙醇及去离子水反复洗涤，在105 ℃下干燥8 h 后得到碳产物。

采用日本电子公司JSM-6700F 型场发射扫描电子显微镜观察不同工艺下合成的粘胶纤维碳化产物的形貌差别；采用丹东通达科技有限公司Y-2000 型X 射线衍射仪对样品的晶体结构进行了X 光衍射分析；采用美国P-E 公司FTIR-1730 型傅里叶红外光谱仪对碳产物表面的官能团进行表征。采用PerkinElmer 公司TGA4000型差热分析仪进行热重分析，检查样品在N2气流下的热稳定性（升温速率10 ℃/min，目标温度800 ℃）。

3 结果与讨论

3.1 不同合成条件下碳化产物的微观形貌分析

图1 为不同反应温度下粘胶纤维碳化产物的微观形貌图。从反应的宏观层面观察，反应温度在170 ℃以下时，产物依旧是粘胶纤维，形貌无明显变化；当温度升高至170 ℃时，碳化产物变为褐色固体粉末，观察其微观形貌仍具一定纤维状；温度升高为180 ℃时，产物开始由纤维状分解为块状物，随温度的继续上升，在200 ℃时，粘胶纤维开始碳化成球，但球形颗粒大小不一，还有较多原料尚未碳化形成球形颗粒；在260 ℃时得到的碳微球粒径均匀、分散性好且目标产物较多；继续升高到270 ℃，产物球形颗粒之间出现堆积、焦结。

这是因为当温度较低时，反应体系所产生的能量较少，粘胶纤维水解不完全，体系中可溶性中间产物较少，无法生成较多碳球；随着温度的升高，球形产物逐渐增多；而当温度过高时，粘胶纤维在反应初期便可完全水解，造成体系中过高的饱和浓度，晶核的形成和生长几乎同时进行，晶核之间发生碰撞及结合，引起碳微球之间结合及黏连，使碳微球形貌变差。综合分析，粘胶纤维最佳碳化成球温度为260 ℃左右，碳微球粒径均匀，分散性好，目标产物多。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0208/342.html