CN104911745B - 一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，包括：将纯化后的木质素粉末、聚乳酸切片在真空烘箱中进行间歇式热处理，将热处理后的木质素粉末和聚乳酸切片混合，在160～250℃下经双螺杆造粒得到木质素/聚乳酸复合母粒；将干燥后的木质素/聚乳酸复合母粒在190～250℃下经熔融纺丝机纺丝，得到碳纤维前驱体木质素/聚乳酸复合纤维。本发明提供的碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维具有原料可再生，纤维品质优良，所得纤维直径小，强度高，成本低，可进行连续化生产等优点，有望经碳化后作为增强材料应用于汽车、高铁、建筑、体育用品等领域，市场前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维前驱体的制备领域，特别涉及一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维由于具有优异的力学性能和服役性能而广泛应用于航空航天、国防建设等高端领域，而对面大量广的民用领域鲜有涉及，究其原因主要是因为所生产碳纤维的成本较高。开发低成本碳纤维，拓展其在民用市场中的应用成为未来的发展方向。木质素作为造纸黑液的副产物由于具有原料来源广、资源可再生、价格低廉、富含苯环结构等特性而成为制备低成本碳纤维的理想材料。专利CN 103140539 A公布了用于生产碳纤维的热塑性木质素，但由于木质素的分子量低，且分子链间的缠结点较少，导致其纺丝速度较低，所得纤维较粗，不能进行连续化生产。将木质素与高聚物复合可提高木质素的韧性，解决其连续化生产的问题。专利CN 103748271 A公布了制造含木质素的前体纤维和碳纤维的方法，将木质素与高聚物在适当溶剂中通过溶液纺丝得到连续化的前驱体纤维，但采用的方法为溶液纺丝，成产成本高，溶剂回收困难，同时对环境造成一定的污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，该发明提供的碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维具有原料可再生，纤维品质优良，生产成本低，所得纤维直径小，强度高，可进行连续化生产等优点，有望经碳化后作为增强材料应用于汽车、高铁、建筑、体育用品等领域，市场前景广阔。
本发明的一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，包括：
(1)将纯化后的木质素粉末、聚乳酸切片在真空烘箱中进行间歇式热处理，将热处理后的木质素粉末和聚乳酸切片混合，在160～250℃下经双螺杆造粒得到木质素/聚乳酸复合母粒；其中聚乳酸的添加量为总质量的0.5％～50％；
(2)将干燥后的木质素/聚乳酸复合母粒在190～250℃下经熔融纺丝机纺丝，得到碳纤维前驱体木质素/聚乳酸复合纤维。
所述步骤(1)中木质素为硫酸盐木质素、木质素磺酸盐、有机溶剂提取木质素、酶解木质素和爆破木质素中至少一种。
所述步骤(1)中木质素粉末的热处理温度为100～240℃，热处理时间为0.5～4h。
所述步骤(1)中聚乳酸切片的热处理温度为70～120℃，热处理时间为6～12h。
所述步骤(2)中纺丝速度为100～8000m/min，牵伸倍数为1～5倍。
所述步骤(2)中木质素/聚乳酸复合纤维的直径为5～500μm。
所述步骤(2)中得到的碳纤维前驱体木质素/聚乳酸复合纤维预氧化、碳化得到碳纤维；其中，预氧化温度为270～350℃，碳化温度为1000～2500℃。
所述的预氧化升温速率为0.1～5℃/min，预氧化时间为10～60min。
本发明所用的硫酸盐木质素购自(Suzano Papele Celulose S.A.)公司。
本专利选用非石油基可降解材料聚乳酸为增韧材料，采用熔融纺丝方法制备出碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维，并经预氧化、碳化等工艺得到碳纤维。该方法杜绝了石油资源的使用，同时解决了木质素纤维不能连续化生产的问题，具有原料可再生，纤维品质优良，生产成本低，所得纤维直径小，强度高等优点，市场前景广阔。
有益效果
(1)本发明中所提供的碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维采用的原料均为可再生材料，杜绝了石油基材料的使用；
(2)本发明中所提供的碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维采用的是熔融纺丝方法，可纺性好，纤维品质优良，生产成本大幅降低，同时解决了木质素较脆不能连续化生产的问题；
(3)本发明中所提供的碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维经碳化得到的碳纤维具有直径小，强度高等优点，市场前景广阔。
附图说明
图1为实施例1中得到的木质素/聚乳酸基碳纤维的SEM图；其中，图1-a为断面图，1-b为表面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将木质素粉末和聚乳酸切片(Mw＝1.77×105，PDI＝1.3)分别在190℃和80℃下于真空烘箱中进行间歇式热处理，热处理时间分别为0.5h和8h。将495g热处理后的木质素粉末和5g热处理后的聚乳酸切片充分混合，经双螺杆造粒得到木质素/聚乳酸复合母粒，螺杆五区温度分别为190℃、210℃、230℃、230℃和225℃。将干燥后的复合母粒加入熔融纺丝机中进行纺丝得到木质素/聚乳酸复合纤维，纺丝温度为200～240℃，计量泵转速为20rpm，规格为1.8cc/r，喷丝板规格为0.18mm×12f，纺丝速度为100m/min，牵伸倍数为1.1倍。所得木质素/聚乳酸复合纤维经预氧化(预氧化温度为270℃，升温速率为0.1℃/min，预氧化时间为10min)和碳化(碳化温度为1000℃，升温速率为2℃/min，碳化时间为20min)等工艺得到碳纤维。所得碳纤维纤维直径为46μm，断裂强度为0.37GPa，断裂模量为26GPa。
实施例2
将木质素粉末和聚乳酸切片(Mw＝1.77×105，PDI＝1.3)分别在200℃和90℃下于真空烘箱中进行间歇式热处理，热处理时间分别为1h和6h。将475g热处理后的木质素粉末和25g热处理后的聚乳酸切片充分混合，经双螺杆造粒得到木质素/聚乳酸复合母粒，螺杆五区温度分别为180℃、200℃、225℃、225℃和220℃。将干燥后的复合母粒加入熔融纺丝机中进行纺丝得到木质素/聚乳酸复合纤维，纺丝温度为200～240℃，计量泵转速为20rpm，规格为1.8cc/r，喷丝板规格为0.18mm×12f，纺丝速度为300m/min，牵伸倍数为1.2倍。所得木质素/聚乳酸复合纤维经预氧化(预氧化温度为280℃，升温速率为0.1℃/min，预氧化时间为10min)和碳化(碳化温度为1000℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为20min)等工艺得到碳纤维。所得碳纤维纤维直径为40μm，断裂强度为0.46GPa，断裂模量为40GPa。
实施例3
将木质素粉末和聚乳酸切片(Mw＝1.77×105，PDI＝1.3)分别在210℃和100℃下于真空烘箱中进行间歇式热处理，热处理时间分别为2h和10h。将450g热处理后的木质素粉末和50g热处理后的聚乳酸切片充分混合，经双螺杆造粒得到木质素/聚乳酸复合母粒，螺杆五区温度分别为170℃、190℃、220℃、220℃和215℃。将干燥后的复合母粒加入熔融纺丝机中进行纺丝得到木质素/聚乳酸复合纤维，纺丝温度为200～230℃，计量泵转速为30rpm，规格为1.8cc/r，喷丝板规格为0.18mm×12f，纺丝速度为500m/min，牵伸倍数为1.3倍。所得木质素/聚乳酸复合纤维经预氧化(预氧化温度为290℃，升温速率为0.2℃/min，预氧化时间为10min)和碳化(碳化温度为1000℃，升温速率为5℃/min，碳化时间为20min)等工艺得到碳纤维。所得碳纤维纤维直径为36μm，断裂强度为0.72GPa，断裂模量为58GPa。
实施例4
将木质素粉末和聚乳酸切片(Mw＝1.77×105，PDI＝1.3)分别在220℃和110℃下于真空烘箱中进行间歇式热处理，热处理时间分别为3h和9h。将425g热处理后的木质素粉末和75g热处理后的聚乳酸切片充分混合，经双螺杆造粒得到木质素/聚乳酸复合母粒，螺杆五区温度分别为170℃、190℃、220℃、220℃和215℃。将干燥后的复合母粒加入熔融纺丝机中进行纺丝得到木质素/聚乳酸复合纤维，纺丝温度为200～230℃，计量泵转速为30rpm，规格为1.8cc/r，喷丝板规格为0.18mm×12f，纺丝速度为500m/min，牵伸倍数为1.4倍。所得木质素/聚乳酸复合纤维经预氧化(预氧化温度为270℃，升温速率为0.1℃/min，预氧化时间为10min)和碳化(碳化温度为1000℃，升温速率为3℃/min，碳化时间为20min)等工艺得到碳纤维。所得碳纤维纤维直径为30μm，断裂强度为0.98GPa，断裂模量为85GPa。
实施例5
将木质素粉末和聚乳酸切片(Mw＝1.77×105，PDI＝1.3)分别在240℃和120℃下于真空烘箱中进行间歇式热处理，热处理时间分别为4h和12h。，将400g热处理后的木质素粉末和100g热处理后的聚乳酸切片充分混合，经双螺杆造粒得到木质素/聚乳酸复合母粒，螺杆五区温度分别为160℃、180℃、205℃、205℃和200℃。将干燥后的复合母粒加入熔融纺丝机中进行纺丝得到木质素/聚乳酸复合纤维，纺丝温度为190～220℃，计量泵转速为30rpm，规格为1.8cc/r，喷丝板规格为0.18mm×12f，纺丝速度为500m/min，牵伸倍数为1.2倍。所得木质素/聚乳酸复合纤维经预氧化(预氧化温度为280℃，升温速率为0.3℃/min，预氧化时间为10min)和碳化(碳化温度为1000℃，升温速率为4℃/min，碳化时间为20min)等工艺得到碳纤维。所得碳纤维纤维直径为39μm，断裂强度为0.38GPa，断裂模量为31GPa。
Claims (6)
1.一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，包括：
(1)将纯化后的木质素粉末、聚乳酸切片在真空烘箱中进行间歇式热处理，将热处理后的木质素粉末和聚乳酸切片混合，在160～250℃下经双螺杆造粒得到木质素/聚乳酸复合母粒；其中，聚乳酸的添加量为总质量的0.5％～15％；
(2)将干燥后的木质素/聚乳酸复合母粒在190～250℃下经熔融纺丝机纺丝，得到碳纤维前驱体木质素/聚乳酸复合纤维。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中木质素为硫酸盐木质素、木质素磺酸盐、有机溶剂提取木质素、酶解木质素和爆破木质素中至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中木质素粉末的热处理温度为100～240℃，热处理时间为0.5～4h。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中聚乳酸切片的热处理温度为70～120℃，热处理时间为6～12h。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中纺丝速度为100～8000m/min，牵伸倍数为1～5倍。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中木质素/聚乳酸复合纤维的直径为5～500μm。
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