本发明属于纸基材料功能化利用领域，具体涉及一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法。
背景技术：
炭材料由于具有良好的导、吸附等性能，使得其在多个领域均有广泛的应用。近年来，弹性炭材料的出现给能源、吸油等领域进行革新提供了可能，成为了关注的热点。这类弹性炭材料除了具有很好的弹性(柔性)外，还需要具备很好的重复稳定性，这为弹性炭材料的多功能应用提出了挑战。
目前的弹性炭材料主要来源于发泡材料或凝胶材料的炭化，主要的原料来源于不可再生高分子材料，普遍存在制备的弹性炭材料可压缩率不高、重复使用次数偏低等突出问题。此外，现有的弹性炭材料的制备工艺比较复杂，导致其制备成本较高，很大程度上限制了其进一步的应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，用于解决目前弹性炭材料制备工艺复杂、制备成本高等问题，本发明制备的弹性炭材料可以应用于吸油及柔性传感器领域，拓宽了生活用纸的利用途径和利用价值。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将生活用纸制备为长方体结构；
步骤二：将长方体结构生活用纸在空气气氛中以1～1.5℃/min加热到200～260℃，保温120～480min，然后更换为氮气气氛，继续保温20min；
步骤三：在氮气气氛下，以3℃/min升温到350～450℃，保温20min；
步骤四：保温结束后，在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为前驱体；
步骤五：将前驱体浸入到含有木质素的乙醇溶液中10～30秒后取出，干燥后，在氮气气氛中以3～5℃/min加热到800～1600℃，保温60～300min；
步骤六：保温结束后，在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为弹性炭材料。
进一步地，步骤一中所述的生活用纸为卫生纸、餐巾纸或厨房用纸。
进一步地，步骤一中长方体结构的长:宽:厚比例为：1:(0.4～0.6):(0.3～0.5)，其中长表示纤维方向，宽表示垂直纤维方向，高表示多层方向。
进一步地，步骤五中干燥温度为80℃，时间为10min。
进一步地，步骤五所述的含有木质素的乙醇溶液中，木质素的浓度为1～10g/l。
进一步地，所述的木质素为碱木质素、硫酸盐木质素或醇解木质素。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1.本发明以低廉易得的生活用纸通过炭化方式实现了多功能弹性炭材料的制备，主要利用了生活用纸制备过程中利用起皱刮刀起皱形成的皱纹(沿纤维方向)，制备的弹性炭材料继承了这种皱纹从而具有很好的弹性，同时，由于生活用纸炭化后顺纤维方向、垂直纤维方向、多层结构方向表现为不同的性质，因此呈现出了各向异性，可以应用于吸油领域(油水分离)以及压阻式柔性传感器领域。
2.本发明将前驱体浸入含有木质素的乙醇溶液中，能够将木质素微纳米颗粒很好的浸入到多层炭结构中(厚度方向)，一方面由于木质素含碳量高(生活用纸主要为纤维素，含碳量比木质素低)，木质素的加入可以提高最终弹性炭材料的得率；另一方面木质素浸入到多层结构中，能够将多层结构很好的连接到一起，起到支撑和连接作用，有利于大幅度提高弹性结构的重复使用；此外，由于木质素自身含有苯环结构，炭化后对于弹性炭材料的吸油特性及导电传感性能都有一定的帮助和提高。
3.本发明采取空气气氛 氮气气氛分布炭化方法，空气气氛下在较低的升温速率(1～1.5℃/min加热到200～260℃)的目的是稳定生活用纸中的纤维素纤维，防止直接氮气气氛中升温造成纤维损坏和大幅度收缩；空气气氛稳定后继续在氮气气氛下以3℃/min升温到350～450℃，主要目的是让纤维素纤维有限炭化脱除较多的羟基，保证纤维在下一步浸渍乙醇溶液时不发生性状改变；最后在氮气气氛下3～5℃/min加热到800～1600℃的作用是形成弹性炭材料，并且根据使用用途的不同在不同的温度下炭化，800～1200℃的目的主要是形成无定型结构，大于1200℃主要生成石墨结构。
附图说明
图1为实施例1获得弹性炭材料过程图，其中(a)为炭化前，(b)为弹性炭材料压缩前，(c)为弹性炭材料压缩后。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将生活用纸制备为一定的长方体结构，长(纤维方向):宽(垂直纤维方向):厚(多层方向)比例为：1:(0.4～0.6):(0.3～0.5)。所述的生活用纸为卫生纸、餐巾纸、厨房用纸中的一种。
步骤二：将长方体结构生活用纸置于管式气氛炉中，在空气气氛中以1～1.5℃/min加热到200～260℃，保温120～480min。然后更换为氮气气氛，继续保温20min。
步骤三：在氮气气氛下，以3℃/min升温到350～450℃，保温20min；
步骤四：保温结束后，在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为前驱体。
步骤五：将前驱体浸入到含有木质素的乙醇溶液中10～30秒后取出，在80℃烘箱中干燥10min后，重新置于管式气氛炉中，在氮气气氛中以3～5℃/min加热到800～1600℃，保温60～300min。所述的木质素的乙醇溶液中，木质素的浓度为1～10g/l，所述的木质素为碱木质素、硫酸盐木质素、醇解木质素中的一种。
步骤六：保温结束后，在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为弹性炭材料。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
以卷筒卫生纸为原料，制备长(纤维方向):宽(垂直纤维方向):厚(多层方向)为20cm:8cm:6cm的长方体结构，然后置于管式气氛炉中，在空气气氛中以1℃/min加热到200℃，保温480min。然后更换为氮气气氛，继续保温20min。然后以3℃/min升温到350℃，保温20min；在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物-前驱体。将前驱体浸入到浓度为1g/l的含碱木质素的乙醇溶液中，30秒后取出，在80℃烘箱中干燥10min后，重新置于管式气氛炉中，在氮气气氛中以3℃/min加热到800℃，保温300min。然后在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为弹性炭材料。所制备的弹性炭材料密度为19.5mg/cm3，可压缩率达到64％，在吸油领域使用时，吸附柴油量为自身重量的54倍，压缩挤出后重复使用10次后，吸附柴油量为自身重量的38倍。在柔性传感器领域使用时，压缩60％后电导率从0.03s/m增加到了1.48s/m，重复压缩1万次以上无明显变化。
实施例2
以餐巾纸为原料，制备长(纤维方向):宽(垂直纤维方向):厚(多层方向)为20cm:12cm:10cm的长方体结构，然后置于管式气氛炉中，在空气气氛中以1.5℃/min加热到260℃，保温120min。然后更换为氮气气氛，继续保温20min。然后以3℃/min升温到450℃，保温20min；在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物-前驱体。将前驱体浸入到浓度为10g/l的含碱木质素的乙醇溶液中，10秒后取出，在80℃烘箱中干燥10min后，重新置于管式气氛炉中，在氮气气氛中以5℃/min加热到1600℃，保温60min。然后在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为弹性炭材料。所制备的弹性炭材料密度为9.8mg/cm3，可压缩率达到85％，在吸油领域使用时，吸附柴油量为自身重量的96倍，压缩挤出后重复使用10次后，吸附柴油量为自身重量的63倍。在柔性传感器领域使用时，压缩60％后电导率从0.09s/m增加到了5.26s/m，重复压缩1万次以上无明显变化。
实施例3
以厨房用纸为原料，制备长(纤维方向):宽(垂直纤维方向):厚(多层方向)为20cm:10cm:8cm的长方体结构，然后置于管式气氛炉中，在空气气氛中以1.2℃/min加热到240℃，保温250min。然后更换为氮气气氛，继续保温20min。然后以3℃/min升温到400℃，保温20min；在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物-前驱体。将前驱体浸入到浓度为5g/l的含碱木质素的乙醇溶液中，20秒后取出，在80℃烘箱中干燥10min后，重新置于管式气氛炉中，在氮气气氛中以4℃/min加热到1200℃，保温180min。然后在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为弹性炭材料。所制备的弹性炭材料密度为14.1mg/cm3，可压缩率达到72％，在吸油领域使用时，吸附柴油量为自身重量的80倍，压缩挤出后重复使用10次后，吸附柴油量为自身重量的56倍。在柔性传感器领域使用时，压缩60％后电导率从0.07s/m增加到了3.94s/m，重复压缩1万次以上无明显变化。
1.一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将生活用纸制备为长方体结构；
步骤二：将长方体结构生活用纸在空气气氛中以1～1.5℃/min加热到200～260℃，保温120～480min，然后更换为氮气气氛，继续保温20min；
步骤三：在氮气气氛下，以3℃/min升温到350～450℃，保温20min；
步骤四：保温结束后，在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为前驱体；
步骤五：将前驱体浸入到含有木质素的乙醇溶液中10～30秒后取出，干燥后，在氮气气氛中以3～5℃/min加热到800～1600℃，保温60～300min；
步骤六：保温结束后，在氮气气氛通入情况下自然降温，待温度降到50℃以下，停止通入氮气，取出固体产物为弹性炭材料。
2.根据权利要求1所述的一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，其特征在于，步骤一中所述的生活用纸为卫生纸、餐巾纸或厨房用纸。
3.根据权利要求1所述的一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，其特征在于，步骤一中长方体结构的长:宽:厚比例为：1:(0.4～0.6):(0.3～0.5)，其中长表示纤维方向，宽表示垂直纤维方向，高表示多层方向。
4.根据权利要求1所述的一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，其特征在于，步骤五中干燥温度为80℃，时间为10min。
5.根据权利要求1所述的一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，其特征在于，步骤五所述的含有木质素的乙醇溶液中，木质素的浓度为1～10g/l。
6.根据权利要求1所述的一种生活用纸炭化制备多功能弹性炭材料的方法，其特征在于，所述的木质素为碱木质素、硫酸盐木质素或醇解木质素。
技术总结