CN106884227A - 一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，涉及以木质素为原料，聚环氧乙烷(PEO)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等为增塑剂，纳米材料为增强剂，配制符合用纺丝技术制备连续微/纳米纤维要求的纺丝液。通过对提取的木质素作进一步处理，与增强剂和增塑剂充分混合后，以二甲基甲酰胺类溶剂为溶剂，配制成符合用纺丝技术制备连续微/纳米纤维要求的纺丝液。这种纺丝液的浓度和粘度可以按纤维的规格和性能，通过改变木质素的种类和分子量大小，增塑剂、增强剂及木质素的原始重量比等进行调控。本发明的制备方法，工艺、设备简单，稳定可靠，操作方便，制得的纺丝液，可用于制备木质素基碳纤维及其薄膜。该技术简单易行，适用范围广。

Description

一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法
技术领域
本发明涉及一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制技术，具体说是涉及一种具有生产成本低，绿色环保，把可循环再生的木质素制备成能源储存，工业和医药领域的分离技术等方面有潜在应用的碳纤维的纺丝液的配制技术，该纺丝液可用静电纺丝技术或溶液纺丝技术制备成碳纤维的原丝。
背景技术
碳纤维是一种强度大、密度小、耐腐蚀、耐老化、耐高温和易导电的新型纤维状碳素材料，它是发展航天航空和军事等尖端技术必不可少的新材料，也是民用工业，尤其是汽车工业更新换代的基础材料。随着科技与经济的发展，各个领域对碳纤维的需求量与日俱增。目前大部分碳纤维是以聚丙烯腈为原料(前驱体)制备的，少量的以石油精炼残渣和煤焦油等沥青、黏胶丝束和织物为前驱体制备。由于其石油基前驱体的成本和加工成本高，造成这些碳纤维价格昂贵而限制了其应用范围。另外，随着化石资源的开采、加工、使用、废弃对地球生态环境的负面影响加剧，以及石油资源的枯竭，开发可再生和易降解的生物质材料已成为一种必然的趋势。以生物质材料为原料，开发低成本的碳纤维，也引起了人们的高度重视。
木质素，这种可再生和易降解的生物质材料，在自然界中的储量仅次于纤维素，而且每年都以500亿吨的速度再生。制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约1.4亿吨纤维素，同时得到5000万吨左右的木质素副产品，但迄今为止，超过95％的木质素仍以“黑液”的形式直接排入江河或浓缩后烧掉，很少得到有效利用。不仅造成了资源的浪费，还带来严重的环境污染。因此，制备木质素为原料碳纤维很有必要，不仅可以拓宽木质素的利用方向，而且还可以缓和当前市场上碳纤维供不应求和资源紧缺的矛盾，减少环境污染，具有良好的社会效益和经济效益。但到目前为止，得到的木质素基碳纤维，其强度远远低于聚丙烯腈基碳纤维。纳米材料，如纤维素晶须具有大的比表面积和长径比以及优异的机械强度，其弹性模量可达150GPa左右，张力高达10GPa。因此，用纳米材料增强木质素基碳纤维，既可以提高其强度，也能提高其韧性。而配制合适的纺丝液是把材料纺成纤维的关键步骤，纺丝液的质量是决定纤维质量的关键因素。
发明内容
本发明的目的在于以木质素为原料，提供一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法。
所采用的技术方案是：
采用木质素为原料，以聚环氧乙烷(PEO)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等为增塑剂，纳米材料为增强剂，通过对提取的木质素作进一步处理后，与增强剂和增塑剂充分混合，以二甲基甲酰胺类极性溶剂为溶剂，配制成符合用纺丝技术制备连续微/纳米纤维要求的纺丝液。这种纺丝液的浓度和粘度可以按纤维的规格和性能，通过改变木质素的种类和分子量大小，增塑剂、增强剂及木质素的原始重量比等进行调控。
一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，包括如下步骤：
步骤一：木质素干燥后，按增塑剂和增强剂含量，分别称取木质素、增塑剂和增强剂，充分搅拌混合均匀后，加入溶剂；
步骤二：把步骤一所得到的混合物，用分散器进行分散；
步骤三：把步骤二所得到的混合物，置于加热磁力搅拌器对其进行边搅拌，边恒温加热；
步骤四：把步骤三所得到的混合物，再次用分散器进行分散；
步骤五：把步骤四所得到的混合物，置于加热磁力搅拌器对其进行边搅拌，边恒温加热；
步骤六：把步骤五所得到的混合液，再次置于分散器分散后冷却至室温；
步骤七：把步骤六所得到的混合液，密封存放一定时间后得到纺丝液，所得纺丝液可用于静电纺丝技术和溶液纺丝技术纺丝。
其中，增塑剂含量为0wt％～5wt％，增强剂含量为0wt％～15wt％，木质素含量为80wt～100wt％。
其中，步骤二、步骤四、步骤六中分散器包括振动、高速旋涡和超声分散器。
其中，木质素为硬木木质素和软木木质素的一种或几种。
其中，步骤二、步骤四、步骤六中分散器进行分散的时间为5min～10min。
其中，步骤三、步骤五中加热磁力搅拌器恒温温度为70℃--85℃，加热时间为0.5～1.5h。
其中，增强剂为纳米材料，既可以是无机的纳米颗粒或纤维素晶须，也可以是有机的纳米颗粒或晶须；增塑剂为聚环氧乙烷(PEO)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
步骤七中的密封存放时间至少1天。
步骤一中的溶剂为二甲基甲酰胺类极性溶剂，如N，N-二甲基甲酰胺等。
本发明的制备方法，工艺、设备简单，稳定可靠，操作方便，获得的纺丝液可用静电纺丝技术或溶液纺丝技术制得的木质素基碳纤维原丝。该技术简单易行，适用范围广。
附图说明
图1为纤维素晶须含量为0.8％，溶液浓度为28％的木质素/增强剂复合纺丝液用静电纺丝技术制得的直径1μm的复合纤维电镜图；
图2为纤维素晶须含量为5.0％，溶液浓度为28％的木质素/增强剂复合纺丝液用静电纺丝技术制得制得的直径500nm的复合纤维电镜图。
具体实施方式
以下详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅供说明具体结构，该结构的规模不受实施例的限制。
实施例1
本实施方式一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，是通过以下步骤实现的：
步骤一：将造纸废液中提取的软木木质素置于真空干燥箱中干燥至少24h后，按1wt％的PEO含量(3.89mg)，0.8％的纤维素晶须含量(11.2mg)，分别称取木质素、纤维素晶须和PEO，充分搅拌混合均匀后，加入1000mgN，N-二甲基甲酰胺溶剂，进行溶解；
步骤二：把步骤一所得到的混合液，置于超声波清洗器中超声分散5min；
步骤三：把步骤二得到混合液，置于加热磁力搅拌器对其进行边搅拌，边80℃恒温油浴0.5h；
步骤四：把步骤三所得到的混合液，再次置于超声波清洗器中超声分散5min；
步骤五：把步骤四得到的混合液，再置于加热磁力搅拌器对其进行边搅拌，边80℃恒温油浴1.5h；
步骤六：把步骤五所得到的混合液，再次置于超声波清洗器中超声分散5min后冷却至室温。
步骤七：把步骤六所得到的混合液，密封存放2天后得到浓度为28％的纺丝液。
把该纺丝液用静电纺丝技术制得的直径为1μm左右的纤维(参见图1)。
实施例2
本实施方式一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法的制备方法，是通过以下步骤实现的：
步骤一：将造纸废液中提取的软木木质素置于真空干燥箱中干燥至少24h后，按1wt％的PEO含量(3.89mg)，5％纤维素晶须含量(73.31mg)，分别称取木质素、纤维素晶须和PEO，充分搅拌混合均匀后，加入1000mgN，N-二甲基甲酰胺溶剂，进行溶解；
步骤二：把步骤一所得到的混合液，置于高速旋涡仪中分散混合5min；
步骤三：把步骤二得到混合液，置于加热磁力搅拌器对其进行边搅拌，边80℃恒温油浴0.5h；
步骤四：把步骤三所得到的混合液，再次置于高速旋涡仪中分散混合5min；
步骤五：把步骤四得到的混合液，再置于加热磁力搅拌器对其进行边搅拌，边80℃恒温油浴1.5h；
步骤六：把步骤五所得到的混合液，再次置于高速旋涡仪中分散混合5min后冷却至室温。
步骤七：把步骤六所得到的混合液，密封存放2天后得到浓度为28％的纺丝液。
把该纺丝液用静电纺丝技术制得的直径为500nm左右的纤维(参见图2)。

Claims (10)

1.一种木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：木质素干燥后，按增塑剂和增强剂含量，分别称取木质素、增塑剂和增强剂，充分搅拌混合均匀后，加入溶剂；
步骤二：把步骤一所得到的混合物，用分散器进行分散；
步骤三：把步骤二所得到的混合物，置于加热磁力搅拌器对其进行边搅拌，边恒温加热；
步骤四：把步骤三所得到的混合物，再次用分散器进行分散；
步骤五：把步骤四所得到的混合物，置于加热磁力搅拌器对其进行边搅拌，边恒温加热；
步骤六：把步骤五所得到的混合液，再次置于分散器分散后冷却至室温；
步骤七：把步骤六所得到的混合液，密封存放一定时间后得到纺丝液。
2.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的增塑剂含量为0wt％～5wt％，增强剂含量为0wt％～15wt％，木质素含量为80wt～100wt％。
3.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的步骤二、步骤四、步骤六中分散器包括振动、高速旋涡和超声分散器。
4.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的木质素为硬木木质素和软木木质素的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的步骤二、步骤四、步骤六中分散器进行分散的时间为5min～10min。
6.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的步骤三、步骤五中加热磁力搅拌器恒温温度为70℃--85℃，加热时间为0.5～1.5h。
7.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的增强剂为纳米材料，既可以是无机的纳米颗粒或晶须，也可以是有机的纳米颗粒或纤维素晶须。
8.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的增塑剂为聚环氧乙烷(PEO)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
9.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的步骤七中的密封存放时间至少1天。
10.根据权利要求1所述的木质素/增强剂复合纺丝液的配制方法，其特征是所述的步骤一中的溶剂为二甲基甲酰胺类极性溶剂，如N，N-二甲基甲酰胺等。
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