CN106978653B - 一种纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法，通过对造纸废液中提取的木质素作进一步处理后，用聚环氧乙烷(PEO)为增塑剂，纤维素晶须为增强剂，用纺丝技术制备纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，再经过预氧化和碳化工艺，制备纤维素晶须增强木质素基碳纤维。这种碳纤维的直径和强度可以通过改变纺丝参数、纤维素晶须和木质素的原始重量比、木质素的种类和拉伸比等进行调控。本发明的制备方法，工艺、设备简单，稳定可靠，操作方便，制得的碳纤维，具有在储能装置的电极材料、体育用品和医用吸附材料等领域应用的潜在能力。该技术简单易行，适用范围广。

Description

一种纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备技术，具体说是涉及一种在能源储存，工业和医药领域的分离技术方面有潜在应用，具有生产成本低，绿色环保，把造纸厂废液中提取的木质素制备成碳纤维的制备技术，所用的技术是将静电纺丝技术或熔融纺丝技术或溶液纺丝技术和预氧化、碳化技术的结合。
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。纤维素晶须(NCW)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，用纤维素晶须增强木质素基碳纤维，既可以提高其强度，也能提高其韧性。
发明内容
本发明的目的在于以木质素为原料，提供一种纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
采用造纸废液中提取的木质素为原料，用聚环氧乙烷(PEO)为增塑剂，纤维素晶须为增强剂，通过对提取的木质素作进一步处理后，与纤维素晶须和PEO充分混合，用静电纺丝或熔融纺丝或溶液纺丝技术制备纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，再经过预氧化和碳化工艺，制备纤维素晶须增强木质素基碳纤维及其薄膜。这种碳纤维的表面形貌和力学性能等可以通过改变这三种高分子材料的原始重量比、木质素的种类、纺丝工艺参数和拉伸比等进行调控。
一种木质素基中空碳纤维的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：木质素(造纸废液中提取是来源之一)干燥(至少24小时)后，分别称取木质素、纤维素晶须和PEO，充分搅拌混合均匀后，用纺丝技术进行拉伸纺丝，得到纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维；
PEO含量为0wt％～5wt％，纤维素晶须含量为0wt％～15wt％，木质素含量为80wt～100wt％。
木质素为硬木木质素或软木木质素的一种或几种。
纺丝技术包括静电纺丝、熔融和溶液纺丝技术。
步骤二：把步骤一所得到的纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，放入预氧化炉进行热稳定处理；
热处理，先以速率为0.5～5℃/min升温至250℃，然后保温1小时。
步骤三：把步骤二所得的纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，放入碳化炉在保护气氛(N2或惰性气体保护)下进行碳化处理。
碳化处理，以2～5℃/min的速率从室温升温至250℃，然后保温5分钟，再以10℃/min的速率升温至1000℃，并保温1小时。
本发明所述的一种纤维素晶须增强木质素基碳纤维及其薄膜的制备方法，以木质素为原料，用聚环氧乙烷(PEO)为增塑剂，纤维素晶须为增强剂，通过对提取的木质素作进一步处理后，与纤维素晶须和PEO充分混合，用纺丝技术制备纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，再经过预氧化和碳化工艺，制备纤维素晶须增强木质素基碳纤维及其薄膜。这种碳纤维的表面形貌和力学性能可以通过改变这三种高分子材料的原始重量比，木质素的种类、纺丝工艺参数和拉伸比等进行调控。
本发明的制备方法，工艺、设备简单，稳定可靠，操作方便，制得的碳纤维，具有在储能装置的电极材料、体育用品和医用吸附材料等领域应用的潜在能力。该技术简单易行，适用范围广。
附图说明
图1为制得纤维素晶须增强木质素基碳纤维直径1μm碳纤维电镜图；
图2为制得纤维素晶须增强木质素基碳纤维直径600nm碳纤维电镜图。
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
本实施方式纤维素晶须增强木质素基碳纤维及其薄膜的制备方法，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，1wt％的纤维素晶须含量，分别称取木质素、纤维素晶须和PEO，充分搅拌混合均匀后，用二甲基甲酰胺为溶剂，配成一定浓度的纺丝液，用静电纺丝技术进行拉伸纺丝，制备软木木质素/纤维素晶须/PEO复合纤维；
步骤二：把步骤一所得到的软木木质素/纤维素晶须/PEO复合纤维，放入预氧化炉在一定的升温速率为3℃/min下升温至250℃，保温1h，对其进行热处理；
步骤三：把步骤二所得的纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，放入碳化炉在保护气氛(N2或惰性气体气保护)下进行碳化处理即得。
碳化处理，以5℃/min的速率从室温升温至250℃，然后保温5分钟，再以10℃/min的速率升温至1000℃，并保温1小时。
纤维素晶须增强木质素基碳纤维制成的簿膜包括无孔薄膜和有孔簿膜。
制得的纤维素晶须增强木质素基碳纤维直径1μm碳纤维(参见图1)。
实施例2
本实施方式纤维素晶须增强木质素基碳纤维及其薄膜的制备方法，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，0.8wt％的纤维素晶须含量，分别称取木质素、纤维素晶须和PEO，充分搅拌混合均匀后，用二甲基甲酰胺为溶剂，配成一定浓度的纺丝液，用静电纺丝技术进行拉伸纺丝，制备软木木质素/纤维素晶须/PEO复合纤维；
步骤二：把步骤一所得到的软木木质素/纤维素晶须/PEO复合纤维，放入预氧化炉在一定的升温速率为2℃/min下升温至250℃，保温1h，对其进行热处理；
步骤三：把步骤二所得的纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，放入碳化炉在保护气氛(N2或惰性气体气保护)下进行碳化处理即得。
碳化处理，以5℃/min的速率从室温升温至250℃，然后保温5分钟，再以10℃/min的速率升温至1000℃，并保温1小时。
纤维素晶须增强木质素基碳纤维制成的簿膜包括无孔薄膜和有孔簿膜。
制得的纤维素晶须增强木质素基碳纤维直径600nm碳纤维(参见图2)。

Claims (6)

1.一种纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：木质素干燥后，按聚环氧乙烷含量和纤维素晶须含量，分别称取木质素、纤维素晶须和PEO，充分搅拌混合均匀后，用二甲基甲酰胺为溶剂，用纺丝技术进行拉伸纺丝，得到纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维；
步骤二：把步骤一所得到的纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，放入预氧化炉进行热稳定处理；
步骤三：把步骤二热处理后的纤维素晶须/PEO/木质素复合纤维，放入碳化炉在保护气氛下进行碳化处理后即得；
其中，PEO含量为0wt％～1wt％，纤维素晶须含量为0.8wt％或1wt％，木质素含量为80wt～100wt％。
2.根据权利要求1所述的纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法，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。
3.根据权利要求1所述的纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法，其特征是所述的纺丝技术包括静电纺丝技术、熔融纺丝技术和溶液纺丝技术。
4.根据权利要求1所述的纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法，其特征是所述的热稳定处理，先以速率为0.5～5℃/min升温至250℃，然后保温1小时。
5.根据权利要求1所述的纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法，其特征是所述的碳化处理，以2～5℃/min的速率从室温升温至250℃，然后保温5分钟，再以10℃/min的速率升温至1000℃，并保温1小时。
6.根据权利要求1所述的纤维素晶须增强木质素基碳纤维的制备方法，其特征是通过纤维素晶须增强木质素基碳纤维制成的簿膜包括无孔薄膜和有孔簿膜。
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