CN107299419A - 一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，该方法是依次对淀粉进行降解、异构化、脱水、交联聚合、纺丝、预氧化、致密化和碳化处理，不仅最大程度的减少淀粉分子中的含氧基团，并利用致密化处理，修复了纤维结构，增加了纤维的密度，从而提高了淀粉基碳纤维的拉伸强度和拉伸模量。

Description

一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维材料领域，具体涉及一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好，导电导热性能好、电磁屏蔽性好等，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代特种增强纤维。
随着碳纤维在更多领域的广泛应用，碳纤维需求量的不断增加，现有的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维由于其原材料的不可再生性和其制备工艺复杂、耗能大，生产成本高的缺点，导致碳纤维的大规模应用受到限制。而淀粉作为一种天然产物，具有来源丰富，种类多，产量大，含碳量高的特点，用淀粉制备淀粉基碳纤维成为人们的研究热点。但采用现有制备方法制备得到的淀粉基碳纤维存在拉伸强度和模量低的缺陷，不能满足人们对碳纤维的在力学性能上的要求，限制了淀粉基碳纤维的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服淀粉基碳纤维存在的拉伸强度和模量低的缺陷，提供一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法；本发明依次对淀粉进行降解、异构化、脱水、交联聚合、纺丝、预氧化、致密化和碳化处理，利用致密化处理修复了预氧化过程中产生的结构缺陷，增加了纤维的密度，从而提高了淀粉基碳纤维的拉伸强度和拉伸模量。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）将淀粉用生物酶进行降解和异构化处理得产物A；
（2）在产物A中加入脱水催化剂进行脱水处理，并分离、干燥得产物B；
（3）将产物B与石蜡、交联剂、聚丙烯腈混合均匀后，进行交联聚合反应得到产物C；
（4）将产物C进行熔融纺丝，得到淀粉基碳纤维原丝；
（5）将淀粉基碳纤维原丝进行预氧化处理；
（6）将预氧化处理后的淀粉基碳纤维原丝进行致密化处理；
（7）将经过致密化处理的淀粉基碳纤维原丝进行碳化处理，得到高强度淀粉基碳纤维。
本发明高强度淀粉基碳纤维的制备方法，先通过生物酶和脱水催化剂对淀粉进行降解、异构化和脱水处理，形成5-羟甲基糠醛；然后利用交联聚合和预氧化处理，得到含氧基团少但有一定结构缺陷的预氧化纤维原丝；再利用致密化处理修复预氧化纤维原丝的结构缺陷；最后通过碳化处理得到高强度淀粉基碳纤维；该高强度淀粉基碳纤维具有优异的拉伸强度和拉伸模量，且该制备方法简单、快速、可靠，适合高强度淀粉基碳纤维的大规模、工业化生产。
上述一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，其中，所述的生物酶包括葡萄糖异构酶和淀粉酶；淀粉酶能快速的将淀粉降解为葡萄糖或果糖；葡萄糖异构酶能将葡萄糖异构化为果糖，利于进行脱水形成5-羟甲基糠醛；优选的，所述的生物酶中葡萄糖异构酶和淀粉酶物质的量之比为2︰1；通过合理的将多种生物酶进行配合使用，能加快淀粉的降解和异构化，缩短处理周期，并达到最佳的处理效果；其中，所述的生物酶用量为淀粉质量的0.02-0.05%。
上述一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，其中，所述的交联剂为邻苯二甲酸；优选的，所述的交联剂用量为淀粉质量的5-10%。
上述一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，其中，所述的石蜡用量为淀粉质量的5-10%。
上述一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，其中，所述的聚丙烯腈的分子量为2000-5000；在该分子量范围内，得到的碳纤维性能更好；其中，所述的聚丙烯晴的用量为淀粉质量的10-20%。
上述一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，其中，所述的脱水催化剂是指能催化果糖脱水形成5-羟甲基糠醛的物质；优选的，所述的脱水催化剂为氯化铁、氯化亚铁、氯化铜或盐酸中的一种或多种；其中，所述的脱水催化剂用量为淀粉质量的1-3%。
上述一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，其中，步骤1中所述降解和异构化处理的温度为20-35℃；在该温度范围内，生物酶的活性最好，对淀粉的降解和异构化效果最好。
其中，步骤2中所述的脱水处理温度为85-120℃，时间为1-5h；该反应温度和时间条件下，淀粉的脱水效果最好。
其中，步骤3中用双螺杆挤出机进行交联聚合反应；所述的双螺杆挤出机中工作区的最高温度设置为320-340℃，最低温度设置为260-290℃；物料在在挤出机中的停留时间控制在60-120s；温度太高，副反应多，不利于原材料的交联聚合反应，温度太低，原材料不熔融，交联反应不彻底。
其中，步骤4中熔融纺丝的温度为310-350℃；在该温度范围内纺丝得到的淀粉基碳纤维原丝品质最好。
其中，步骤5中预氧化的温度为230-260℃，时间为2-6h，在该温度下，原丝中大部分含氧基团断裂生成水蒸发出来，并环化形成新的化合物，但同时，高温气态水的溢出，也会一定程度的破坏纤维的结构，形成孔洞，严重影响碳纤维的强度；温度过高，对纤维结构的破坏程度越大，碳纤维性能越差；温度过低，预氧化处理不彻底，同样会降低碳纤维性能。
其中，步骤6中致密化处理是指将预氧化处理后的淀粉基碳纤维原丝在温度为260-290℃，压力为负压的条件下进行加热处理1-10h；负压条件下进行加热处理，能使原丝中的孔洞坍塌并被填充平整，同时使原丝致密度增加，提高碳纤维的强度；优选的，所述的负压≤-2KPa；负压力越大，纤维的密实度越好，强度越好，但生产成本越高。
其中，步骤7中所述的碳化温度为1050-1250℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明制备方法通过对淀粉进行降解、异构化和脱水处理，最大程度的减少了淀粉分子中的含氧基团，减少了碳化过程中气体对纤维结构的破坏，降低了碳纤维的孔洞率，从而提高了淀粉基碳纤维的拉伸强度和拉伸模量。
2、本发明制备方法对淀粉基碳纤维进行了致密化处理，修复了纤维中的结构缺陷，使原丝致密度增加，提高了碳纤维的强度。
3、本发明制备方法简单、可靠，适合高强度淀粉基碳纤维的大规模、工业化生产。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）将100g淀粉用0.02g的葡萄糖异构酶和0.01g的淀粉酶在25℃的温度下进行降解和异构化处理4h得产物A；
（2）在产物A中加入1g的氯化铁、1g的氯化铜在105℃的温度下进行脱水处理3h，并分离、干燥得产物B；
（3）将产物B与8g的石蜡、8g的邻苯二甲酸、15g的聚丙烯腈混合均匀后，用双螺杆挤出机进行交联聚合反应；得到产物C；所述的双螺杆挤出机中工作区的最高温度设置为330℃，最低温度设置为280℃；物料在在挤出机中的停留时间控制在90s；
（4）将产物C在330℃的温度下进行熔融纺丝，得到淀粉基碳纤维原丝；
（5）将淀粉基碳纤维原丝在245℃的温度下进行预氧化处理4h；
（6）将经过预氧化处理后的淀粉基碳纤维原丝在温度为275℃，压力为-2KPa的条件下进行致密化处理5h；
（7）将经过致密化处理的淀粉基碳纤维原丝在1150℃的温度下进行碳化处理，得到高强度淀粉基碳纤维。
实施例2
（1）将100g淀粉用0.01g的葡萄糖异构酶和0.01g的淀粉酶在35℃的温度下进行降解和异构化处理5h得产物A；
（2）在产物A中加入1g的氯化亚铁在85℃的温度下进行脱水处理5h，并分离、干燥得产物B；
（3）将产物B与5g的石蜡、10g的邻苯二甲酸、20g的聚丙烯腈混合均匀后在320℃的温度下进行交联聚合反应2h；得到产物C；
（4）将产物C在350℃的温度下进行熔融纺丝，得到淀粉基碳纤维原丝；
（5）将淀粉基碳纤维原丝在230℃的温度下进行预氧化处理6h；
（6）将经过预氧化处理后的淀粉基碳纤维原丝在温度为290℃，压力为-10KPa的条件下进行致密化处理1h；
（7）将经过致密化处理的淀粉基碳纤维原丝在1250℃的温度下进行碳化处理，得到高强度淀粉基碳纤维。
实施例3
（1）将100g淀粉用0.03g的葡萄糖异构酶和0.02g的淀粉酶在35℃的温度下进行降解和异构化处理2h得产物A；
（2）在产物A中加入1g的氯化铁、1g的氯化亚铁、1g的盐酸，在120℃的温度下进行脱水处理1h，并分离、干燥得产物B；
（3）将产物B与10g的石蜡、5g的邻苯二甲酸、10g的聚丙烯腈混合均匀后，在340℃的温度下进行交联聚合反应1h得到产物C；
（4）将产物C在310℃的温度下进行熔融纺丝，得到淀粉基碳纤维原丝；
（5）将淀粉基碳纤维原丝在260℃的温度下进行预氧化处理2h；
（6）将经过预氧化处理后的淀粉基碳纤维原丝在温度为260℃，压力为-50KPa的条件下进行致密化处理10h；
（7）将经过致密化处理的淀粉基碳纤维原丝在1050℃的温度下进行碳化处理，得到高强度淀粉基碳纤维。
对比例1
（1）将100g淀粉用0.02g的葡萄糖异构酶和0.01g的淀粉酶在25℃的温度下进行降解和异构化处理4h得产物A；
（2）在产物A中加入1g的氯化铁、1g的氯化铜在105℃的温度下进行脱水处理3h，并分离、干燥得产物B；
（3）将产物B与8g的石蜡、8g的邻苯二甲酸、15g的聚丙烯腈混合均匀后，用双螺杆挤出机进行交联聚合反应；得到产物C；所述的双螺杆挤出机中工作区的最高温度设置为330℃，最低温度设置为280℃；物料在在挤出机中的停留时间控制在90s；
（4）将产物C在330℃的温度下进行熔融纺丝，得到淀粉基碳纤维原丝；
（5）将淀粉基碳纤维原丝在245℃的温度下进行预氧化处理4h；
（6）将经过预氧化处理的淀粉基碳纤维原丝在1150℃的温度下进行碳化处理，得到高强度淀粉基碳纤维。
对比例2
（1）将100g淀粉用0.02g的葡萄糖异构酶和0.01g的淀粉酶在25℃的温度下进行降解和异构化处理4h得产物A；
（2）在产物A中加入1g的氯化铁、1g的氯化铜在105℃的温度下进行脱水处理3h，并分离、干燥得产物B；
（3）将产物B与8g的石蜡、8g的邻苯二甲酸、15g的聚丙烯腈混合均匀后，用双螺杆挤出机进行交联聚合反应；得到产物C；所述的双螺杆挤出机中工作区的最高温度设置为330℃，最低温度设置为280℃；物料在在挤出机中的停留时间控制在90s；
（4）将产物C在330℃的温度下进行熔融纺丝，得到淀粉基碳纤维原丝；
（5）将淀粉基碳纤维原丝在245℃的温度下进行预氧化处理4h；
（6）将经过预氧化处理后的淀粉基碳纤维原丝在温度为275℃，常压的条件下进行致密化处理5h；
（7）将经过致密化处理的淀粉基碳纤维原丝在1150℃的温度下进行碳化处理，得到高强度淀粉基碳纤维。
对比例3
（1）将100g淀粉与8g的石蜡、8g的邻苯二甲酸、15g的聚丙烯腈混合均匀后，用双螺杆挤出机进行交联聚合反应；得到产物C；所述的双螺杆挤出机中工作区的最高温度设置为330℃，最低温度设置为280℃；物料在在挤出机中的停留时间控制在90s；
（2）将产物C在330℃的温度下进行熔融纺丝，得到淀粉基碳纤维原丝；
（3）将淀粉基碳纤维原丝在245℃的温度下进行预氧化处理4h；
（4）将经过预氧化处理后的淀粉基碳纤维原丝在温度为275℃，压力为-2KPa的条件下进行致密化处理5h；
（5）将经过致密化处理的淀粉基碳纤维原丝在1150℃的温度下进行碳化处理，得到高强度淀粉基碳纤维。
将上述实施例1-3和对比例1-3中所制备得到的淀粉基碳纤维进行性能检测，记录数据如下：
编号 拉伸强度（MPa） 拉伸模量（GPa） 密度（g/cm3）
实施例1 1820 167 1.71
实施例2 1850 168 1.73
实施例3 1880 172 1.74
对比例1 1190 126 1.57
对比例2 1250 124 1.54
对比例3 850 78 1.32
对上述实验数据分析可知，实施例1-3中采用本发明技术方案，得到的淀粉基碳纤维密度大，拉伸强度和拉伸模量大；而对比例1中，对淀粉基碳纤维原丝未进行致密化处理，碳纤维中存在一定的孔洞，结构有缺陷，碳纤维密度下降，碳纤维拉伸强度和拉伸模量显著降低；对比例2中进行致密化处理时的压力不是负压，对纤维的致密化处理效果差，碳纤维拉伸强度和拉伸模量显著降低；对比例3中没有对淀粉进行降解、异构化和脱水处理，淀粉基碳纤维原丝中含氧基团多，碳化时产生大量气体，使碳纤维中出现大量孔洞，尽管进行额致密化处理，但结构破坏严重，修复困难，其拉伸强度、模量显著降低。

Claims (10)

1.一种高强度淀粉基碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将淀粉用生物酶进行降解和异构化处理得产物A；
（2）在产物A中加入脱水催化剂进行脱水处理，并分离、干燥得产物B；
（3）将产物B与石蜡、交联剂、聚丙烯腈混合均匀后，进行交联聚合反应得到产物C；
（4）将产物C进行熔融纺丝，得到淀粉基碳纤维原丝；
（5）将淀粉基碳纤维原丝进行预氧化处理；
（6）将经过预氧化处理后的淀粉基碳纤维原丝在温度为260-290℃，压力为负压的条件下进行致密化处理1-10h；
（7）将经过致密化处理的淀粉基碳纤维原丝进行碳化处理，得到高强度淀粉基碳纤维；
所述的生物酶包括葡萄糖异构酶和淀粉酶；所述的交联剂为邻苯二甲酸；所述的脱水催化剂为氯化铁、氯化亚铁、氯化铜或盐酸中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的生物酶中葡萄糖异构酶和淀粉酶物质的量之比为2︰1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的生物酶用量为木质素质量的0.02-0.05%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的交联剂用量为淀粉质量的5-10%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的聚丙烯晴的用量为淀粉质量的10-20%。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的脱水催化剂用量为淀粉质量的1-3%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的脱水处理温度为85-120℃，时间为1-5h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中用双螺杆挤出机进行交联聚合反应；所述的双螺杆挤出机中工作区的最高温度设置为320-340℃，最低温度设置为260-290℃；物料在在挤出机中的停留时间控制在60-120s。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5中预氧化的温度为230-260℃，时间为2-6h。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤6中所述的负压≤-2KPa。
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