CN107090743A - 一种木材转化炭纤维纸的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种木材转化炭纤维纸的制备方法。该木材转化炭纤维纸的制备方法，以木材为前驱体，选用传统的造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料，再经洗涤、筛选、打浆形成纸浆，最后经抄纸过程形成纸张；将纸张在氮气保护下，高温煅烧后形成炭材料；由于木材在微观结构下呈现无定型结构，经抄纸过程实现了从无定形微观结构向纤维结构的转化，再经过炭化处理，得到一种木材转化炭纤维纸。该木材转化炭纤维纸的制备方法，以木材为原料，原料丰富，节能降耗；通过完善的抄纸工艺和简单的炭化方法，高效的形成稳定的炭纤维纸，拓宽了生物质能源形貌可控的研究以及生物质基炭材料的应用。

Description

一种木材转化炭纤维纸的制备方法
技术领域
本发明涉及炭纤维技术领域，特别涉及一种木材转化炭纤维纸的制备方法。
背景技术
炭纤维材料具有一定的前瞻性和广阔的应用前景。通常是以纤维形成存在，且具有较高的表面积，好耐腐蚀性，良好的导电导热性能的一种新型材料。因此科研工作者一直在致力于炭纤维的研究，选用不同的原料以及不同方法已经成功制备了不同的炭纤维。目前为止，炭纤维主要通过纺丝手段形成纤维形态，经煅烧后形成稳定的炭纤维材料。同时，在制备炭纤维过程中，不同制备前驱体也决定了炭纤维的性质，一般而言，聚合物制备的炭纤维相对比较稳定，然而，聚合物成本高，且对环境有一定的污染。因此，既要同时选择生物质材料又要控制炭纤维的形貌是一直具有挑战性的研究课题。
造纸作为中国的四大发明之一，具有悠久的历史以及传统的工艺，在国民经济中具有一定的地位和作用，得到的纸张具有吸附能力强，柔韧性可控等优点；同时可以通过造纸工艺将木材这一无定形的微观结构转换为微观纤维状结构。同时，抄纸工艺成本较低，效率很高，在很多应用方面表现出更优异的性能，已成为一种成熟传统的商业工艺。此外，煅烧方法是一种最简单的形成炭材料的制备工艺，此方法可以简单，高效的将纤维转化为炭纤维。木材，原料丰富，产量充足有保障，原料成本低，节能降耗，因此选其作为模板，利用简单、实用的方法高效的制备炭纤维纸有着重要的现实意义和应用价值。
欧洲专利（EP1009048）介绍了一种用于燃料电池的炭纤维纸的制备方法。主要是通过混合具有导电结构的石墨结构制备炭纤维纸，应用于燃料电池。此方法要求的制备条件相对比较复杂，具有一定的应用局限性。
日本专利（WO2003087470）介绍了一种炭纤维与多孔炭相结合的方法制备燃料电池。此方法设计到结合反应，通过制备二次混合结合提高燃料电池性能。燃料电池的性能效果好，但耗用成本较高，且会混合不均匀，需开发一种成本低，混合均匀且高效的方法。
韩国专利（KR20140092154）介绍了一种沉积Pan纤维的方法制备炭纤维，涉及到炭纤维领域。通过将Pan纤维进行沉析方法形成炭纤维纸，孔隙度大，提高了纸张增强性，且提高了纸张的弹性系数。此方法具有重要的研究意义，相对制备条件复杂，成本较高，可控性较差。
公开号为CN204034427U的中国专利介绍了一种一种水处理滤芯专用活性炭纤维纸。本实用新型公开了一种水处理滤芯专用活性炭纤维纸，其特征在于：包括活性炭纤维短丝和由玻璃纤维丝通过气流成网技术制成的毡，所述毡的克重控制为100±10g/㎡，所述活性炭纤维短丝通过黏结剂吸附在玻璃纤维丝上。该实用新型具有耐酸、耐碱、耐高温的特性，同时强度也很高，既能挡住水中的悬浮物、固态颗粒物，又具有吸附有机物、重金属离子的作用，过滤精度可达到0.5微米以上，可广泛用于废水处理、有机废液净化等。此方法操作复杂，成本高，有待于开发简单制备方法。
公开号为CN1598141的中国专利介绍了一种炭纤维纸及其制法。采用将分散剂、一次粘结剂、炭纤维丝混合物放入水中，打浆形成悬浮液，用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸，将成型纸在二次粘结剂溶液中浸渍，浸渍后的碳纸在干燥，炭化。该发明具有制备工艺简单、电阻率低、强度高、可实现工业化生产的优点。此方法制备过程简单、可循环使用。然而对炭纤维的分散性与纸张的结合性以及比表面积等方法的突破仍有待于研究。
公开号CN102146641A的中国专利介绍了碳纳米管植入法改性炭纤维纸的制造工艺。通过先分散制备好的或商业化的碳纳米管，用酚醛树脂溶液作粘接剂，把分散好的碳纳米管均匀地涂覆在用传统方法制备的炭纸表面，碳纳米管就会被粘接到炭纸上，因为具有“钉扎作用”碳纳米管会垂直于附着的炭纸表面，再炭化；最后还可以用化学气相沉积的方法，通过沉积热解炭把碳纳米管牢固地固定在炭纸的表面。该发明可以大面积地、批量化地在炭纸表面植入碳纳米管，该方法不仅成本低，操作简单，而且可以显著地增加碳纳米管在炭纸表面的附着力，使得碳纳米管不易剥落，而且不会带入其它不利的元素。此方法需要涂覆、粘接再炭化的方式，使其不可控因素太多，有待于工艺简单化。
公开号CN1598142的中国专利介绍了一种炭纤维纸及其制备方法。此方法采用将分散剂、纤维素浆、炭纤维丝混合物打浆形成悬浮液，用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸，将纸在无机催化剂溶液中浸渍，再在粘结剂溶液中浸渍，浸渍后的纸干燥，炭化。本发明具有电阻率低、导电率高、强度高、制备方法简单的优点。此方法操作简单，周期短，合成效率高，重复性好，且对环境绿色无污染，应用在燃料电池催化剂，导电材料领域。然而，合成效率较低，重复性一般，需要考虑结合度等因素。有待于通过更简单直接的制备方法开发一种炭纤维材料。
综上所述，选用常见的木质生物质为前驱体通过抄纸技术、煅烧工艺制备炭纤维，简单制备工艺，省时节能、高效易产业化备受关注。基于此，本发明提出了一种木材转化炭纤维纸的制备方法，选用多种常见的木材为前驱体，经过简单的造纸处理，再经不同温度及时间的煅烧，简单，高效的制备出一种木材转化炭纤维纸。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种使用方便，灵活，高效的木材转化炭纤维纸的制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种木材转化炭纤维纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以木材为前驱体，采用传统造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料；
（2）浆料经洗涤、筛选、打浆形成纸浆，然后经抄片机抄纸过程形成纤维纸张，实现了木材微观结构从无定型结构向纤维结构的转化；
（3）在氮气保护下，将得到的纤维纸张高温煅烧，形成炭纤维纸材料。
所述步骤（1）中，以针叶或者落叶松为前驱体，采用传统的造纸工艺，木屑用质量分数为12%~18%的氢氧化钠溶液，在150~180 ℃蒸煮2~4 h形成浆料。
所述步骤（2）中，先将浆料用清水洗涤至pH=7，然后用筛浆机除去未成浆的固体木渣，并通过打浆完成细纤维化过程，打浆度为20~60 °SR，抄片机抄纸过程的成纸定量为30g/m2~120 g/m2。
所述步骤（3）中，纤维纸张先在80~100℃温度下干燥，然后在氮气保护下，700~900℃高温煅烧2~3 h后形成炭纤维纸材料。
本发明的有益效果是：该木材转化炭纤维纸的制备方法，以木材为原料，原料丰富，节能降耗；通过完善的抄纸工艺和简单的炭化方法，高效的形成稳定的炭纤维纸，拓宽了生物质能源形貌可控的研究以及生物质基炭材料的应用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为本发明针叶木材转化为炭纤维纸的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
该木材转化炭纤维纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）以木材为前驱体，采用传统造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料；
（2）浆料经洗涤、筛选、打浆形成纸浆，然后经抄片机抄纸过程形成纤维纸张，实现了木材微观结构从无定型结构向纤维结构的转化；
（3）在氮气保护下，将得到的纤维纸张高温煅烧，形成炭纤维纸材料。
所述步骤（1）中，以针叶或者落叶松为前驱体，采用传统的造纸工艺，木屑用质量分数为12%~18%的氢氧化钠溶液，在150~180 ℃蒸煮2~4 h形成浆料。
所述步骤（2）中，先将浆料用清水洗涤至pH=7，然后用筛浆机除去未成浆的固体木渣，并通过打浆完成细纤维化过程，打浆度为20~60 °SR，抄片机抄纸过程的成纸定量为30g/m2~120 g/m2。
所述步骤（3）中，纤维纸张先在80~100℃温度下干燥，然后在氮气保护下，700~900℃高温煅烧2~3 h后形成炭纤维纸材料。
实施例1：
选用针叶为前驱体，木屑用质量分数为12%的氢氧化钠溶液，在180 ℃蒸煮4 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为60 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为120 g/m2。将纤维纸张先在90℃温度下干燥，然后在氮气保护下，700 ℃煅烧温度下煅烧2 h后形成炭材料得到一种木材转化炭纤维纸。得到的炭纤维纸的SEM图如附图1所示。
实施例2：
选用落叶松为前驱体，木屑用质量分数为15%的氢氧化钠溶液，在160 ℃蒸煮3 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为50 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为100 g/m2。将纤维纸张先在80℃温度下干燥，然后在氮气保护下，800 ℃煅烧温度下煅烧2 h后形成炭材料得到一种木材转化炭纤维纸。
实施例3：
选用落叶松为前驱体，木屑用质量分数为18%的氢氧化钠溶液，在150 ℃蒸煮2 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为20 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为80 g/m2。将纤维纸张先在100℃温度下干燥，然后在氮气保护下，900 ℃煅烧温度下煅烧2 h后形成炭材料得到一种木材转化炭纤维纸。
实施例4：
选用杨木为前驱体，木屑用质量分数为16%的氢氧化钠溶液，在170 ℃蒸煮4 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为40 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为30 g/m2。将纤维纸张先在95℃温度下干燥，然后在氮气保护下，800 ℃煅烧温度下煅烧3h后形成炭材料得到一种木材转化炭纤维纸。
实施例5：
选用杨木为前驱体，木屑用质量分数为14%的氢氧化钠溶液，在165 ℃蒸煮3.5 h形成浆料，再经去离子水洗涤至pH=7、筛浆机筛选、打浆形成纸浆，打浆度为30 °SR，最后经经抄片机抄纸过程形成纸张，成纸定量为50 g/m2。将纤维纸张先在85℃温度下干燥，然后在氮气保护下，900 ℃煅烧温度下煅烧3h后形成炭材料得到一种木材转化炭纤维纸。

Claims (4)

1.一种木材转化炭纤维纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以木材为前驱体，采用传统造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料；以木材为前驱体，通过造纸工艺，木材经蒸煮形成浆料；
（2）浆料经洗涤、筛选、打浆形成纸浆，然后经抄片机抄纸过程形成纤维纸张，实现了木材微观结构从无定型结构向纤维结构的转化；
（3）得到的纤维纸张干燥后，在氮气保护下高温煅烧，形成炭纤维纸材料。
2.根据权利要求1所述的木材转化炭纤维纸的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，以针叶或者落叶松为前驱体，采用传统的造纸工艺，木屑用质量分数为12%~18%的氢氧化钠溶液，在150~180 ℃蒸煮2~4 h形成浆料。
3.根据权利要求1所述的木材转化炭纤维纸的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，先将浆料用清水洗涤至pH=7，然后用筛浆机除去未成浆的固体木渣，并通过打浆完成细纤维化过程，打浆度为20~60 °SR，抄片机抄纸过程的成纸定量为30 g/m2~120 g/m2。
4.根据权利要求1所述的木材转化炭纤维纸的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，纤维纸张先在80~100℃温度下干燥，然后在氮气保护下，700~900 ℃高温煅烧2~3 h后形成炭纤维纸材料。
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