棉纤维中主要含纤维素

棉纤维中主要含纤维素、半纤维素、可溶性糖类、果胶、蜡质、脂肪、含氮物质（主要以蛋白质的形式存在）、灰分等物质[1]。表2-1展示了棉纤维生长过程中伴生的杂质组分及含量[2]。棉纤维的主要化学成分为纤维素。棉纤维纤维素是由D-葡萄糖（β型）单元，

经过1-4苷键互相连接聚合而成的直链天然高分子化合物，其含碳量为44.44%，化学结构实验分子式为(C6H10O5)n，化学结构式见图2-1，其中n为聚合度，约在6000—15000之间[3-5]。

作为纤维含量最高的生物质材料，棉纤维可在水热条件下降解，获取活性炭材料或者高附加值的碳微球。其中，碳微球是一种化学性质较稳定、热稳定性好、导电导热性优良的碳材料，被广泛应用于锂离子电极材料、电化学电容器电极材料、空心球状材料的制作模板、吸附材料、燃料电池催化剂载体、储氢材料和功能材料的添加剂等方面[64-66]。汪君等[67]在170℃-280℃通过对葡萄糖进行水热处理，获取粒径在0.6-7μm的碳微球，且220℃、4h、6g/100mL 的水热条件下炭微球的形貌特征最佳。JihyeRyu等[68]使用苯酚作为催化剂，在水热条件下催化碳化葡萄糖，获取分散性较好且含氧官能团较多的纳米级碳微球。王淑花等[69]以棉浆纤维为研究对象，在水热温度为275℃反应8h且pH为4时，将棉浆纤维碳化为粒径在3-8μm且分散性较好的碳微球。杨秀英等[70]利用废旧棉织物为原料，采用水热法在240~280℃温度范围下成功制备了碳微球，通过ICP-Mas研究表明碳微球对铝、砷、镉及铅离子有较好的吸附性能，并指出废旧棉织物在水热条件下发生水解、脱水，脱除有机基团过程中碳骨架发生球化趋势而逐渐成球。史晟等[71]在水热法回收利用废旧棉纤维的研究中指出，碳微球的最佳工艺为：280℃，10h，20g/L。

纤维素的脱水碳化路径与单糖和淀粉的转化路径基本相似，可分为六个阶段，即:(i)纤维素水解生成低聚糖（纤维二糖、纤维四糖等）和单糖（葡萄糖或果糖）；(ii)单糖发生水解经开环反应和C-C键断裂，形成可溶性物质（如1,6-葡萄糖酐，呋喃类化合物，赤藓糖等）；(iii)可溶性物质发生聚合与缩合反应；(iv)芳香族聚合物的形成；(v)碳微球内核的成形；(vi)球核爆发式向外生长成具有一定尺寸的碳微球，具体反应机理如图1-1所示[73-76]。

在用于制备碳材料的潜在的单一糖类中, 我们发现己糖,尤其是葡萄糖,在碳化过程中比木糖效率更高。这是由于木糖的脱水产物, 即糠醛,会由于呋喃芳香环和羰基作用的联合缩聚反应而较为稳定。因此, 从葡萄糖中获得的碳粉量比木糖的高出1.5 倍左右。然而, 我们小组发现,从这些糖制备的碳的收率非常低。为了提高戊糖和己糖的碳化产率, 一种简单而直接的方法是在纯糖溶液中加入适量的共聚物单体。这中方法,同时,使碳球保持相同的功能;例如, 在丙烯酸存在的情况下, 可以通过葡萄糖热液碳化合成羧酸盐丰富的汽车苯材料。在不同的共聚物单体中, 本文选定了酚类化合物。近年来, 我们通过酚和糠醛之间的气固相反应制备了碳气凝胶 [20]。与苯酚和间苯二酚相比, 用于生产碳气凝胶的典型单体有三个-OH基团与苯环相连, 反应速度更快, 因为它的电子定位在2、4、6环的位置。因此, 在室温下, 可以在短反应时间内获得有机凝胶。这表明, 添加含酚类化合物的不同数量的-OH基团成水糖溶液可能会导致最终碳球数量的变化。此外, 制得的碳材料的总氧含量和表面氧函数 tionalities 也可以改变。本研究中, 碳球是从糖和酚类化合物 (苯酚, 间苯二酚或间苯三酚)水热制备而得。将果糖和木糖分别作为己糖和戊糖的模型化合物。由于果糖的活性与葡萄糖相比相对较高, 加入共聚物单体, 果糖和木糖可分别在130℃和170℃时制得碳化物。这些温度低于通常情况下的温度（170-190℃）, 并且可以防止大规模生产糖脱水的常见副作用（如二羟基丙酮、乙酰和甲酸）。最后, 通过扫描电子显微镜 (SEM)、傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 和 X射线光电子能谱 (XPS) 对碳球的特性进行了表征.