成型活性炭胶粘剂的选择与开发

王建程

（宁夏计量测试院，宁夏银川 750021）

活性炭是一种重要的多孔功能材料，由于其丰富的孔结构和发达的比表面积，而被广泛应用于液相和气相的吸附、脱色、精制、分离、催化领域，在食品、医药、化工、环保等方面有重要意义[1]。目前活性炭产品主要是粉末活性炭，粉末活性炭堆密度低、不易储放、运输和回收，容易造成粉尘污染。而与粉末活性炭相比，成型活性炭[2]具有较大的尺寸和一定形状，有较高的堆密度与强度，且无粉尘污染。虽然其较高的密度与较大的尺寸，及粘接成型工艺，会导致其比表面积有一定损失，即单位质量表面积低于粉末活性炭，但由于密度大幅度提高，单位体积表面积要远远高于粉末活性炭。在储藏运输过程中，密度大、单位体积表面积高的成型活性炭更具优势。成型活性炭的强度和可加工性，也有利于满足不同行业的多种用途。制备成型活性炭包括3个步骤:制备成型体、炭化以及活化。但是对于使用胶粘剂成型的制备方法，胶粘剂是最重要的影响因素。目前用于成型活性炭的胶粘剂主要可以分为有机胶粘剂和无机胶粘剂两种。有机类胶粘剂如腐殖酸及其钠盐、黏结性木质素、煤焦油、聚乙烯醇及其衍生物、酚醛树脂及高分子类水溶液或醇溶液等；无机类胶粘剂如：斑脱土、海泡石、石膏及水玻璃等。每种胶粘剂都有各自的优缺点，而用得最多的还是各种有机胶粘剂。如以酚醛树脂[3]为胶粘剂进行活性炭的成型。本文采用以下方案制备两种不同的胶粘剂作为粉末活性炭成型的胶粘剂：（1）甲醛交联后的腐殖酸钠；（2）乳化沥青。以上方案应用于活性炭的成型在国内外均尚未见报道。

1 实验部分

1.1 主要药品

粉末活性炭：200 目以下90 %，腐殖酸钠，环烷酸（分析纯，国药集团），甲醛（分析纯，国药集团，含量（HCHO）为37.0 %～40.0 %），NaOH（分析纯，北京五七六零一化工厂），硬脂酸（分析纯，国药集团），煤沥青：软化点80 ℃。

1.2 胶粘剂的制备

1.2.1 乳化沥青的准备 乳化沥青，就是将沥青热溶，经过机械的作用，沥青以细小的微滴状态分散于含有乳化剂的水溶液中，形成水包油状的沥青乳液，这种体系在常温下呈液状。

1.2.2 腐殖酸钠交联 称取腐殖酸钠[4]固体200 g，配制成浓度约10 %的水溶液。加热搅拌溶解，静置冷却。经过离心纯化后，按一定比例与甲醛进行交联实验，确定浓度、时间等对腐殖酸钠[5]交联粘度的影响。

（1）不同浓度甲醛交联与粘度的关系（见表1）。

表1 不同浓度甲醛交联与粘度关系

（2）不同时间对交联粘度的影响（见表2）。

表2 不同时间对交联粘度的影响

1.3 粉末活性炭成型

将颗粒状活性炭通过高速万能粉碎机，粉碎至粉末，其中200 目以下占90 %。称取一定量的粉末活性炭，然后分别加入不同比例、不同种类的胶粘剂，混合均匀后在不同的压力成型；成型后将样品置于马弗炉中进行后处理。粉末活性炭的成型实验采用4 因素3水平的L9（34）正交实验表，4 因素分别为胶粘剂比例（A），成型压力（B），后处理温度（C），后处理时间（D）。1.3.1 腐殖酸钠 将以上方法制得的腐殖酸钠，经过常温浓缩至乳液状，即最初溶液体积的25 %，此时粘度最佳。腐殖酸钠固含量经测定为19.3 %。腐殖酸钠作胶黏剂，粉末活性炭成型实验具体实验参数（见表3）。

表3 腐殖酸钠实验参数

腐殖酸钠作胶黏剂因素水平（见表4）。

表4 因素水平表

成型压力、后处理温度和时间正交试验分析（见表5）。

表5 正交试验分析表

1.3.2 乳化沥青 将以上制得的乳化沥青，固含量经实验测定为50 %，与定量的活性炭粉末按不同比例进行充分搅拌，压入模型内进行成型，并施加不同压力成型，最后进行后处理。乳化沥青作胶黏剂，粉末活性炭成型实验具体参数（见表6）。

表6 乳化沥青试验参数

乳化沥青作胶黏剂因素水平（见表7）。

表7 因素水平表

成型压力、后处理温度和时间正交试验分析（见表8）。

表8 正交试验分析表

2 实验结果与讨论

2.1 腐殖酸钠交联

图1 不同浓度的甲醛交联与粘度的关系

图2 时间对交联粘度的影响

由表1、图1 可知：甲醛用量为0.4 mL/100mL 腐殖酸钠时，产物的粘度最好。由表2、图2 可知：交联时间为90 min 以上即可。

综上可得，腐殖酸钠甲醛交联粘度影响条件即甲醛浓度0.4 mL/100mL 腐殖酸钠，交联时间90 min，交联温度95 ℃。

表9 铅笔型号对应硬度转换关系

2.2 腐殖酸钠与乳化沥青的对比

限于当前检测手段及条件的影响，实验采用铅笔硬度比较法对于所得产品进行性能表征。铅笔型号对应硬度转换关系（见表9）。各硬度标准铅笔划痕（见图3）。

图3 各硬度铅笔划痕

其中腐殖酸钠作胶黏剂实验所得产品硬度，实验分为两部分。即图中左边一组为不加碳纤维，右边一组加碳纤维（见图4）。

图4 腐殖酸钠产品硬度

通过图3 与图4 相比较，得出腐殖酸钠样品划痕硬度（见表10）。

通过图3 与图4 相比较，得出腐殖酸钠+碳纤维样品划痕硬度（见表11）。

表10 腐殖酸钠样品划痕硬度

表11 腐殖酸钠+碳纤维样品划痕强度

其中乳化沥青作胶黏剂实验所得产品硬度，实验分为两部分。即图中左边一组为不加碳纤维，右边一组加碳纤维（见图5）。

图5 乳化沥青产品硬度

通过图3 与图5 相比较，得出乳化沥青样品划痕硬度（见表12）。

表12 乳化沥青样品划痕强度

通过图3 与图4 相比较，得出乳化沥青+碳纤维样品划痕硬度（见表13）。

表13 乳化沥青+碳纤维样品划痕强度

由以上结果可知：相比较而言腐殖酸钠作胶黏剂所得产品硬度普遍在2～4H，即强度在2.5～4.1 MPa，乳化沥青作胶黏剂所得产品强度在HB～3H，即1.8～3.6 MPa。二者作为胶黏剂所得成型活性炭产品强度均大于2.5 MPa，可以应用于实际工业生产中。其中，腐殖酸钠作胶黏剂强度稳定，乳化沥青作胶黏剂强度可选范围较大，是二者不同之处，此可以作为胶黏剂选择的依据之一。

其中，胶黏剂中添加毛线即碳纤维所得产品强度普遍高于单纯加胶黏剂所得产品硬度，以此证明，添加碳纤维可以提高成型活性炭产品强度。

3 结论

（1）胶黏剂的影响，乳化沥青添加量为45 %，腐殖酸钠添加量为17.35 %，此条件下相比所得产品所得产品硬度、碘值等都较好。

（2）受到工艺条件的影响，乳化沥青成型压力为500 kgf/cm2，腐殖酸钠成型压力为500 kgf/cm2，此条件下相比所得产品硬度、碘值等都较好。乳化沥青成型温度为500 ℃，腐殖酸钠成型温度为450 ℃，此条件下相比所得产品硬度、碘值等都较好。乳化沥青后处理时间为60 min，腐殖酸钠处理时间为60 min，此条件下相比所得产品硬度、碘值等都较好。

（3）裂痕的影响，添加碳纤维的样品，比不添加碳纤维的样品裂痕明显减少，甚至完全消失，同时明显感觉样品的强度增加，样品外观圆整，表面较光滑，比不添加碳纤维的样品外观有明显改进。

（4）胶黏剂起泡，对马弗炉进行程序升温控制可以有效控制甚至消除鼓泡的产生。

［1］ 曲保雪，朱立红，芦春莲，等.活性炭的起源发展及应用［J］.河北林果研究，2002，17（1）:88-89.

［2］ 甘琦，周昕，赵斌元，等.成型活性炭的制备研究进展［J］.材料导报，2006，20（1）:61-63.

［3］ Lozano-CastellóD，Cazorla-AmorósD，Linares-SolanoA，et al.Activated carbon monoliths for methane storage: influence of binder［J］.Carbon，2002，40（15）：2817-2825.

［4］ 王海涛，朱琨，魏翔，等.腐殖酸钠和表面活性剂对黄土中石油污染物解吸增溶作用［J］.安全与环境学报，2004，（4）：39-41.

［5］ 范艳青.从褐煤制备活性炭的工艺及理论研究［D］.云南:昆明理工大学，2003.