CN106400206A - 一种木质素基碳纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤:a、木质素预处理;b、纺丝原液配制;c、纤维原丝生成;d、纤维预氧化;e、纤维碳化;f、纤维石墨化。本发明在用木质素制备碳纤维前增加预处理步骤,使得木质素的纺丝性能提高,且在纺丝过程中采用醇类有机溶剂,相较于传统的有机溶剂,污染小,绿色环保,而且在整个制备过程中,除了纤维的预氧化处理,其余处理均在惰性气体形成的保护氛围下操作,工艺简单,易于控制,使得制备出来的木质素基碳纤维的性能优异,木质素纤维的利用率也大大提高,成本投入低,有利于提高经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及化工及材料技术领域,尤其涉及一种木质素基碳纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维是含碳量在90 %以上的纤维状材料,具有多种类型,其高强度、高模量制作各种复合材料,可用于结构材料使用,具有广泛用途,然而碳纤维材料的原料主要依赖于化石资源,因此随着人们环保意识的增强及化石资源的逐渐枯竭,研究热点逐渐转向利用可再生资源替代化石资源制备碳纤维的领域。其中木质素为植物中的三大成份之一,在多数植物中含量约占15 ~ 30%,残碳量高,因而可以制作多种碳材料,对国民经济发展具有极为重要的战略意义。
发明内容
本发明的目的是提供了一种木质素基碳纤维的制备方法,采用木质素制备碳纤维,原料来源广泛,生产成本低,且碳纤维性能优异。
本发明针对上述技术缺陷所采用的技术方案是:
一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤:
a、木质素预处理:对于酸性木质素直接溶于60-100倍体积的有机溶剂中进行过滤,其后在110-120℃下真空干燥4-6h,备用,另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤,再用酸性调节剂进行酸洗、浓缩并干燥,其后再将干燥后的木质素溶于60-100倍体积的有机溶剂中进行二次过滤,最后在80-100℃下真空干燥8-10h;
b、纺丝原液配制:将步骤a预处理过的木质素加入60-80倍体积的有机合成剂中搅拌均匀,并在惰性气体形成的氛围下从室温加热至120-150℃,反应时间为1-2h;
c、纤维原丝生成:在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种,并在惰性气体形成的氛围下进行熔融纺丝,纺丝温度为50-65℃,即得纤维原丝;
d、纤维预氧化:将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化,预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温,且每次升温的增幅不超过50%;
e、纤维碳化:将经步骤d预氧化过的纤维在惰性气体形成的氛围下加热碳化,从室温升温至600-1000℃,且升温的速率为1℃ -2℃ /min;
f、纤维石墨化:将经步骤e碳化过的纤维在惰性气体形成的氛围下加热石墨化,加热温度为1500-2500℃,即可得到木质素基碳纤维。
进一步地,步骤a中所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的任意一种,所述酸性调节剂为硫酸、盐酸、磷酸中的任意一种。
进一步地,步骤a中所述有机合成剂为乙二醇。
进一步地,步骤d中所述5次升温的具体操作如下:第一次升温从35℃至52℃,升温时间为10-20min;第二次升温从52℃至78℃,升温时间为10-15min;第三次升温从78℃至116℃,升温时间为6-10min;第四次升温从116℃至175℃,升温时间为4-8min;第二次升温从175℃至250℃,升温时间为2-3min。
进一步地,步骤b-f中任意一项所述的惰性气体为氦气、氩气、氖气中任意一种或一种以上的组合。
进一步地,步骤b-f中任意一项所述的惰性气体形成的氛围的压力为减压状态。
本发明的有益效果是:本发明在用木质素制备碳纤维前增加预处理步骤,使得木质素的纺丝性能提高,且在纺丝过程中采用醇类有机溶剂,相较于传统的有机溶剂,污染小,绿色环保,而且在整个制备过程中,除了纤维的预氧化处理,其余处理均在惰性气体形成的保护氛围下操作,工艺简单,易于控制,使得制备出来的木质素基碳纤维的性能优异,木质素纤维的利用率也大大提高,成本投入低,有利于提高经济效益和社会效益。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解,下面将结合实施例对本发明作进一步详述,该实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明的保护范围的限定。
实施例1
一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤:
a、木质素预处理:对于酸性木质素直接溶于60倍体积的甲醇中进行过滤,其后在110℃下真空干燥4h,备用,另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤,再用硫酸进行酸洗、浓缩并干燥,优选的硫酸浓度为75%,其后再将干燥后的木质素溶于60倍体积的甲醇中进行二次过滤,最后在80℃下真空干燥8h;
b、纺丝原液配制:将步骤a预处理过的木质素加入60倍体积的乙二醇中搅拌均匀,并在氦气形成的氛围且为减压状态下从室温加热至120℃,反应时间为1h;
c、纤维原丝生成:在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种,并在氦气形成的氛围且为减压状态下进行熔融纺丝,纺丝温度为50℃,即得纤维原丝;
d、纤维预氧化:将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化,预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温,且每次升温的增幅不超过50%,5次升温的具体操作如下:第一次升温从35℃至52℃,升温时间为10min;第二次升温从52℃至78℃,升温时间为10min;第三次升温从78℃至116℃,升温时间为6min;第四次升温从116℃至175℃,升温时间为4min;第二次升温从175℃至250℃,升温时间为2min;
e、纤维碳化:将经步骤d预氧化过的纤维在氦气形成的氛围且为减压状态下加热碳化,从室温升温至600℃,且升温的速率为1℃/min;
f、纤维石墨化:将经步骤e碳化过的纤维在氦气形成的氛围且为减压状态下加热石墨化,加热温度为1500℃,即可得到木质素基碳纤维。
实施例2
一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤:
a、木质素预处理:对于酸性木质素直接溶于80倍体积的乙醇中进行过滤,其后在120℃下真空干燥5h,备用,另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤,再用盐酸进行酸洗、浓缩并干燥,优选的盐酸浓度为36%,其后再将干燥后的木质素溶于80倍体积的乙醇中进行二次过滤,最后在90℃下真空干燥9h;
b、纺丝原液配制:将步骤a预处理过的木质素加入70倍体积的乙二醇中搅拌均匀,并在氩气形成的氛围且为减压状态下从室温加热至140℃,反应时间为2h;
c、纤维原丝生成:在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种,并在氩气形成的氛围且为减压状态下进行熔融纺丝,纺丝温度为60℃,即得纤维原丝;
d、纤维预氧化:将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化,预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温,且每次升温的增幅不超过50%,5次升温的具体操作如下:第一次升温从35℃至52℃,升温时间为15min;第二次升温从52℃至78℃,升温时间为13min;第三次升温从78℃至116℃,升温时间为8min;第四次升温从116℃至175℃,升温时间为6min;第二次升温从175℃至250℃,升温时间为2min;
e、纤维碳化:将经步骤d预氧化过的纤维在氩气形成的氛围且为减压状态下加热碳化,从室温升温至800℃,且升温的速率为1℃/min;
f、纤维石墨化:将经步骤e碳化过的纤维在氩气形成的氛围且为减压状态下加热石墨化,加热温度为2000℃,即可得到木质素基碳纤维。
实施例3
一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤:
a、木质素预处理:对于酸性木质素直接溶于100倍体积的异丙醇中进行过滤,其后在120℃下真空干燥6h,备用,另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤,再用磷酸进行酸洗、浓缩并干燥,优选的磷酸浓度为85%,其后再将干燥后的木质素溶于100倍体积的异丙醇中进行二次过滤,最后在100℃下真空干燥10h;
b、纺丝原液配制:将步骤a预处理过的木质素加入80倍体积的乙二醇中搅拌均匀,并在氖气形成的氛围且为减压状态下从室温加热至150℃,反应时间为2h;
c、纤维原丝生成:在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种,并在氖气形成的氛围且为减压状态下进行熔融纺丝,纺丝温度为65℃,即得纤维原丝;
d、纤维预氧化:将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化,预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温,且每次升温的增幅不超过50%,5次升温的具体操作如下:第一次升温从35℃至52℃,升温时间为20min;第二次升温从52℃至78℃,升温时间为15min;第三次升温从78℃至116℃,升温时间为10min;第四次升温从116℃至175℃,升温时间为8min;第二次升温从175℃至250℃,升温时间为3min;
e、纤维碳化:将经步骤d预氧化过的纤维在氖气形成的氛围且为减压状态下加热碳化,从室温升温至1000℃,且升温的速率为2℃ /min;
f、纤维石墨化:将经步骤e碳化过的纤维在氖气形成的氛围且为减压状态下加热石墨化,加热温度为2500℃,即可得到木质素基碳纤维。
本发明的有益效果是:本发明在用木质素制备碳纤维前增加预处理步骤,使得木质素的纺丝性能提高,且在纺丝过程中采用醇类有机溶剂,相较于传统的有机溶剂,污染小,绿色环保,而且在整个制备过程中,除了纤维的预氧化处理,其余处理均在惰性气体形成的保护氛围下操作,工艺简单,易于控制,使得制备出来的木质素基碳纤维的性能优异,木质素纤维的利用率也大大提高,成本投入低,有利于提高经济效益和社会效益。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种木质素基碳纤维的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
a、木质素预处理:对于酸性木质素直接溶于60-100倍体积的有机溶剂中进行过滤,其后在110-120℃下真空干燥4-6h,备用,另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤,再用酸性调节剂进行酸洗、浓缩并干燥,其后再将干燥后的木质素溶于60-100倍体积的有机溶剂中进行二次过滤,最后在80-100℃下真空干燥8-10h;
b、纺丝原液配制:将步骤a预处理过的木质素加入60-80倍体积的有机合成剂中搅拌均匀,并在惰性气体形成的氛围下从室温加热至120-150℃,反应时间为1-2h;
c、纤维原丝生成:在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种,并在惰性气体形成的氛围下进行熔融纺丝,纺丝温度为50-65℃,即得纤维原丝;
d、纤维预氧化:将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化,预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温,且每次升温的增幅不超过50%;
e、纤维碳化:将经步骤d预氧化过的纤维在惰性气体形成的氛围下加热碳化,从室温升温至600-1000℃,且升温的速率为1℃ -2℃ /min;
f、纤维石墨化:将经步骤e碳化过的纤维在惰性气体形成的氛围下加热石墨化,加热温度为1500-2500℃,即可得到木质素基碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种木质素基碳纤维的制备方法,其特征在于:步骤a中所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的任意一种,所述酸性调节剂为硫酸、盐酸、磷酸中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种木质素基碳纤维的制备方法,其特征在于:步骤a中所述有机合成剂为乙二醇。
4.根据权利要求1所述的一种木质素基碳纤维的制备方法,其特征在于:步骤d中所述5次升温的具体操作如下:第一次升温从35℃至52℃,升温时间为10-20min;第二次升温从52℃至78℃,升温时间为10-15min;第三次升温从78℃至116℃,升温时间为6-10min;第四次升温从116℃至175℃,升温时间为4-8min;第二次升温从175℃至250℃,升温时间为2-3min。
5.根据权利要求1所述的一种木质素基碳纤维的制备方法,其特征在于:步骤b-f中任意一项所述的惰性气体为氦气、氩气、氖气中任意一种或一种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的一种木质素基碳纤维的制备方法,其特征在于:步骤b-f中任意一项所述的惰性气体形成的氛围的压力为减压状态。
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