CN115595691B - 一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法与应用，属于碳纤维技术领域。为解决木质素和纤维素混合制备碳纤维时容易出现“形态塌陷”的问题，本发明提供了一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，包括提取木质素、制备木质纤维素基前驱体并通过静电纺丝、干燥、预氧化和碳化处理制备木质纤维素基碳纤维。本发明克服了木质素和纤维素在物理混合过程中受到弱分子间相互作用的限制，制备出具有优异的纤维形态、石墨化程度高、具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维，实现了木质纤维素基碳纤维在柔性载体、电极、纺织品和传感器设备等领域的潜在应用。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维技术领域，尤其涉及一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法与应用。
背景技术
碳纤维是碳含量超过90％的特殊纤维，由于其具有重量轻、高强度、良好的耐腐蚀性和耐高温等优异性能而被广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、体育装备、能源发电等领域。碳纤维的工业加工步骤包括纺丝、稳定化、碳化和石墨化。静电纺丝是实现亚微米前驱体纤维工业化生产的一种具有成本效益且简单的技术，可以轻松地制备出连续的碳纤维。在商业上，亚微米前驱体纤维表现出独特的性能，并在电池、环境修复、光电传感器和纺织行业展示了良好的应用前景。然而，目前商业纤维几乎全部由不可再生的石油基原料生产，价格昂贵且不环保。因此，探索低成本的前驱体材料和简单的制备技术已经成为目前纤维产品研究和开发的重点。
随着人们环境意识的提高，使用生物质作为生产纤维产品的前驱体材料更具吸引力。在各种生物质类型中，木质纤维素生物质由于其高碳含量、高芳香度、可再生、环境友好和成本效益，是制备碳纤维的理想候选原料。但木质素是一种机械性能较差的无定形聚合物，在纺丝过程中很难承受较高的牵伸张力。纤维素虽然表现出良好的柔韧性，但由于其耐热性低，很难通过碳化获得碳纤维。而且由于木质素和纤维素的物理化学性质，如溶解度、可塑性和含氧量不同，它们的物理混合会受到弱分子间相互作用的限制，导致在热稳定期间出现明显的相分离。因此，“形态塌陷”是限制木质纤维素基碳纤维发展的一个主要挑战，如何合理地制备出一种具有优异纤维形态和性能的木质纤维素基碳纤维对现实应用具有非常重要的意义。
发明内容
为解决木质素和纤维素混合制备碳纤维时容易出现“形态塌陷”的问题，本发明提供了一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法与应用。
本发明的技术方案：
一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、提取木质素：
将木粉浸入碱性溶液中加热搅拌，离心收集上清液，将所得上清液pH值调至酸性，静置后离心收集沉淀，得到木质素；
步骤二、制备木质纤维素基前驱体：
将步骤一所得木质素与微晶纤维素置于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，加热搅拌溶解后加入异佛尔酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，充分搅拌混合后加入聚丙烯腈，常温下搅拌均匀，得到木质纤维素基纺丝前驱体；
步骤三、制备木质纤维素基碳纤维：
以步骤二所得木质纤维素基纺丝前驱体为原料进行静电纺丝，得到前驱体纤维，将所得前驱体纤维依次经过干燥、预氧化和碳化处理，得到木质纤维素基碳纤维。
进一步的，步骤一所述木粉为木材加工剩余料加工而成，具体为白杨木粉。
进一步的，步骤一所述碱性溶液为质量浓度为5％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述加热搅拌为70～90℃条件下搅拌3～5h，所述将上清液pH值调至酸性是将上清液pH值调至2；所述静置的时间是10～16h。
进一步的，步骤二所述木质素、微晶纤维素、N,N-二甲基甲酰胺溶剂、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和聚丙烯腈的质量比为0.5:0.5:18:0.02:0.001:2。
进一步的，步骤二所述加热搅拌溶解为60～80℃下搅拌2～5h；所述充分搅拌混合的处理时间为10～12h；所述常温下搅拌均匀的时间为6～10h。
进一步的，步骤三所述静电纺丝的环境温度为30～32℃，湿度为65～75％RH，纺丝的推进速率为16.7μL/min、纺丝电压为24KV、接收距离为15cm、滚筒转速700rpm、往复运动为340r；所述前驱体纤维的干燥处理温度为60℃。
进一步的，步骤三所述预氧化处理是在空气条件下，温度为200～220℃预氧化12h。
进一步的，步骤三所述碳化处理是在保护气体气氛下800～1000℃碳化2h。
一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法制备的木质纤维素基碳纤维，所述木质纤维素基碳纤维中碳纤维的平均直径为0.21±0.03μm。
一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法制备的木质纤维素基碳纤维在柔性载体、电极、纺织品和传感器设备中的应用。
本发明的有益效果：
本发明提供的木质纤维素基碳纤维制备方法利用提取自木粉的木质素、微晶纤维素为原料，通过异佛尔酮二异氰酸酯进行改性，使异氰酸酯基团与木质纤维素基原料中的羟基发生氨基甲酸酯反应形成一种仿生共价键，仿生骨骼肌微观结构将从木质素与微晶纤维素有效连接，克服了木质素和纤维素在物理混合过程中受到弱分子间相互作用的限制，制备出具有优异的纤维形态、石墨化程度高、具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维。
本发明提供的木质纤维素基碳纤维制备方法以木材加工剩余的木粉为原料制备木质纤维素基碳纤维，一方面，可以缓解传统碳纤维制造技术存在的环境污染、资源短缺和成本高的问题，且该制备方法操作简便、成本较低且绿色环保，适合工业化推广；另一方面，该方法能够制备出具有优异的物理性能和电化学性能的木质纤维素基碳纤维材料，实现了木质纤维素基碳纤维在柔性载体、电极、纺织品和传感器设备等领域的潜在应用，实现碳纤维在各个领域中更经济、更绿色和更高效地发展。
附图说明
图1为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维的表面不同放大倍数的扫描电镜照片；
图2为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维的截面不同放大倍数的扫描电镜照片；
图3为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维的纤维直径分布图；
图4为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维的X射线衍射图；
图5为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维的拉曼光谱；
图6为实施例1制备的木质纤维素基前驱体纤维的热重分析图；
图7为实施例1制备的木质纤维素基前驱体纤维的差示扫描量热分析图；
图8为实施例1制备的木质纤维素基前驱体纤维的断裂伸长率测试结果图；
图9为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维制备的超级电容器的奈奎斯特图；
图10为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维制备的超级电容器的等效电路模型；
图11为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维制备的超级电容器的不同扫描速率下的循环伏安曲线；
图12为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维制备的超级电容器的不同电流密度下的恒电流充放电曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
本实施例提供了一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法。
本实施例使用的木粉为木材加工的剩余木料制备的木粉，具体为白杨木粉，规格为100目；木粉的预处理方法为：将木粉用去离子水清洗后置于鼓风干燥箱中在60℃的条件下干燥48h。
本实施例使用的微晶纤维素购自中国上海鼎芬化工技术公司。
本实施例木质纤维素基碳纤维的制备方法包括如下步骤：
步骤一、提取木质素：
将预处理后的木粉浸入质量浓度为5％的氢氧化钠溶液中，水浴80℃条件下搅拌4h，离心收集上清液，使用盐酸将所得上清液pH值调至2，静置12h后离心收集沉淀，反复洗涤所得沉淀物，在60℃条件下干燥48h得到木质素；
步骤二、制备木质纤维素基前驱体：
按照木质素、微晶纤维素、N,N-二甲基甲酰胺溶剂、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和聚丙烯腈的质量比为0.5:0.5:18:0.02:0.001:2准备材料；
将步骤一所得木质素与微晶纤维素置于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在60℃条件下搅拌2h，随后加入异佛尔酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，充分搅拌12h后加入聚丙烯腈，常温下搅拌6h，得到均匀、粘稠、无沉淀物的棕色共混木质纤维素基纺丝前驱体；
步骤三、制备木质纤维素基碳纤维：
以步骤二所得木质纤维素基纺丝前驱体为原料，将其移入固定在注射器泵上的注射器中进行静电纺丝，静电纺丝的环境温度为31℃，湿度为70％RH，纺丝的推进速率为16.7μL/min、纺丝电压为24KV、接收距离为15cm、滚筒转速700rpm、往复运动为340r，得到前驱体纤维，所得前驱体纤维在60℃的条件下进行干燥处理；然后置于马弗炉中在220℃空气条件下预氧化12h，随后转移至管式炉中在氮气气氛下1000℃条件下碳化2h，得到木质纤维素基碳纤维。
图1和图2为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维的表面和截面不同放大倍数的扫描电镜照片；从图1可以看出碳纤维保持了完整且独立的纤维丝状形态，直径均匀，表面无明显缺陷。从图2可以看出本实施例制备的木质纤维素基碳纤维表现出相对规则和完整的圆柱形横截面。因此，本实施例制备的木质纤维素基碳纤维的结构为促进电解质离子的快速迁移提供了一种网络化途径，有利于其获得优异的电化学性能。
图3为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维的纤维直径分布图，本实施例制备的木质纤维素基碳纤维的平均直径为0.21±0.03μm。
图4和图5分别为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维的X射线衍射图和拉曼光谱；通过X射线衍射(XRD)和拉曼(Raman)测试确认了本实施例制备的木质纤维素基碳纤维的晶体结构，并分析了其石墨化程度，这也是电化学性能的关键因素。在木质纤维素基碳纤维的XRD图中可以观察到两个衍射峰(2θ＝25.1°和42.7°处)，分别对应于(002)和(100)晶面。较宽的衍射峰表明木质纤维素基碳纤维的无序碳质结构。根据Scherrer公式：
式中，D、K、β、θ和λ分别代表平均微晶尺寸、常数、样品物理加宽的峰宽、衍射峰的布拉格角和衍射线的波长。木质纤维素基碳纤维(002)晶面的平均晶面间距计算为0.335nm，这个数值接近石墨的平均晶面的间距。图5显示了Raman光谱：在～1359.5cm-1(D峰)和1582.7cm-1(G峰)处分别观察到两个拟合峰，分别对应于石墨平面与无序或缺陷结构的混合振动模式以及完美石墨结构中sp2的平面内拉伸。D带和G带的强度比(ID/IG)代表木质纤维素基碳纤维的石墨化程度，计算值为1.07。这些结果表明本实施例制备的木质纤维素基碳纤维的碳质结构无序，石墨化程度高，有利于获得良好的电化学性能。
图6为实施例1制备的木质纤维素基前驱体纤维的热重分析图；图7为实施例1制备的木质纤维素基前驱体纤维的差示扫描量热分析图；图8为实施例1制备的木质纤维素基前驱体纤维的断裂伸长率测试结果图。从图中可以看出，本实施例制备的木质纤维素基前驱体纤维具有良好的热力学稳定性和高柔韧性，平均断裂伸长度计算为51.84％，远高于国标中要求的断裂伸长率(15-30％)。
以实施例1制备的木质纤维素基碳纤维为原料制备了超级电容器器件。
超级电容器器件的具体制备方法为：将含有80wt％木质纤维素基碳纤维、10wt％聚四氟乙烯和10wt％碳黑的均匀浆液分散在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，粘贴在泡沫镍上，并在80℃的条件下真空干燥12h。随后用聚丙烯膜将两个工作电极分开，并使用氢氧化钾作为电解质。
电化学性能测试：在电化学工作站(CHI760E)上，通过电化学阻抗谱(EIS)、循环伏安(CV)和恒电流充放电(GCD)测试，检测木质纤维素基碳纤维材料的电化学性能。
图9为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维制备的超级电容器的奈奎斯特图；图10为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维制备的超级电容器的等效电路模型；图11为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维制备的超级电容器的不同扫描速率下的循环伏安曲线；图12为实施例1制备的木质纤维素基碳纤维制备的超级电容器的不同电流密度下的恒电流充放电曲线。
从图9中可以看出，奈奎斯特图由高频区半圆和低频区直线构成。如图10所示，Rs是内阻，包括电解质离子电阻、活性材料固有电阻以及活性材料与集流体的接触电阻，对应于高频区半圆和实轴之间的截距。Rct是电荷转移电阻，对应于高频区半圆大小，W是Warbury阻抗，Cd和Cl分别是双电层电容和法拉第电容。计算结果表明，木质纤维素基碳纤维的Rs和Rct值分别为1.18Ω和0.14Ω。如图11所示，接近矩形和对称形状的CV曲线表明，该器件表现出双电层电容行为，这与EIS结果一致。随着扫描速率从5mV/s增加到50mV/s，CV曲线没有严重偏离矩形，显示出良好的离子扩散。最后，在1-10A/g的电流密度下进行GCD测试，如图12所示，木质纤维素基碳纤维的GCD曲线接近对称三角形，表明其接近理想的双电层电容行为，EIS和CV曲线也证明了这一结果。结果表明，所制备的木质纤维素基碳纤维可能在电化学器件中显示出良好的应用前景。
实施例2
本实施例提供了一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法。
本实施例使用的木粉为木材加工的剩余木料制备的木粉，具体为白杨木粉，规格为100目；木粉的预处理方法为：将木粉用去离子水清洗后置于鼓风干燥箱中在60℃的条件下干燥48h。
本实施例使用的微晶纤维素购自中国上海鼎芬化工技术公司。
本实施例木质纤维素基碳纤维的制备方法包括如下步骤：
步骤一、提取木质素：
将预处理后的木粉浸入质量浓度为5％的氢氧化钠溶液中，水浴80℃条件下搅拌4h，离心收集上清液，使用盐酸将所得上清液pH值调至2，静置12h后离心收集沉淀，反复洗涤所得沉淀物，在60℃条件下干燥48h得到木质素；
步骤二、制备木质纤维素基前驱体：
按照木质素、微晶纤维素、N,N-二甲基甲酰胺溶剂、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和聚丙烯腈的质量比为0.5:0.5:18:0.02:0.001:2准备材料；
将步骤一所得木质素与微晶纤维素置于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在60℃条件下搅拌2h，随后加入异佛尔酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，充分搅拌12h后加入聚丙烯腈，常温下搅拌6h，得到均匀、粘稠、无沉淀物的棕色共混木质纤维素基纺丝前驱体；
步骤三、制备木质纤维素基碳纤维：
以步骤二所得木质纤维素基纺丝前驱体为原料，将其移入固定在注射器泵上的注射器中进行静电纺丝，静电纺丝的环境温度为31℃，湿度为70％RH，纺丝的推进速率为16.7μL/min、纺丝电压为24KV、接收距离为15cm、滚筒转速700rpm、往复运动为340r，得到前驱体纤维，所得前驱体纤维在60℃的条件下进行干燥处理；然后置于马弗炉中在220℃空气条件下预氧化12h，随后转移至管式炉中在氮气气氛下900℃条件下碳化2h，得到木质纤维素基碳纤维。
实施例3
本实施例提供了一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法。
本实施例使用的木粉为木材加工的剩余木料制备的木粉，具体为白杨木粉，规格为100目；木粉的预处理方法为：将木粉用去离子水清洗后置于鼓风干燥箱中在60℃的条件下干燥48h。
本实施例使用的微晶纤维素购自中国上海鼎芬化工技术公司。
本实施例木质纤维素基碳纤维的制备方法包括如下步骤：
步骤一、提取木质素：
将预处理后的木粉浸入质量浓度为5％的氢氧化钠溶液中，水浴80℃条件下搅拌4h，离心收集上清液，使用盐酸将所得上清液pH值调至2，静置12h后离心收集沉淀，反复洗涤所得沉淀物，在60℃条件下干燥48h得到木质素；
步骤二、制备木质纤维素基前驱体：
按照木质素、微晶纤维素、N,N-二甲基甲酰胺溶剂、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和聚丙烯腈的质量比为0.5:0.5:18:0.02:0.001:2准备材料；
将步骤一所得木质素与微晶纤维素置于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在60℃条件下搅拌2h，随后加入异佛尔酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，充分搅拌12h后加入聚丙烯腈，常温下搅拌6h，得到均匀、粘稠、无沉淀物的棕色共混木质纤维素基纺丝前驱体；
步骤三、制备木质纤维素基碳纤维：
以步骤二所得木质纤维素基纺丝前驱体为原料，将其移入固定在注射器泵上的注射器中进行静电纺丝，静电纺丝的环境温度为31℃，湿度为70％RH，纺丝的推进速率为16.7μL/min、纺丝电压为24KV、接收距离为15cm、滚筒转速700rpm、往复运动为340r，得到前驱体纤维，所得前驱体纤维在60℃的条件下进行干燥处理；然后置于马弗炉中在220℃空气条件下预氧化12h，随后转移至管式炉中在氮气气氛下800℃条件下碳化2h，得到木质纤维素基碳纤维。
实施例4
本实施例提供了一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法。
本实施例使用的木粉为木材加工的剩余木料制备的木粉，具体为白杨木粉，规格为100目；木粉的预处理方法为：将木粉用去离子水清洗后置于鼓风干燥箱中在60℃的条件下干燥48h。
本实施例使用的微晶纤维素购自中国上海鼎芬化工技术公司。
本实施例木质纤维素基碳纤维的制备方法包括如下步骤：
步骤一、提取木质素：
将预处理后的木粉浸入质量浓度为5％的氢氧化钾溶液中，水浴70℃条件下搅拌5h，离心收集上清液，使用盐酸将所得上清液pH值调至2，静置16h后离心收集沉淀，反复洗涤所得沉淀物，在60℃条件下干燥48h得到木质素；
步骤二、制备木质纤维素基前驱体：
按照木质素、微晶纤维素、N,N-二甲基甲酰胺溶剂、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和聚丙烯腈的质量比为0.5:0.5:18:0.02:0.001:2准备材料；
将步骤一所得木质素与微晶纤维素置于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在70℃条件下搅拌3h，随后加入异佛尔酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，充分搅拌10h后加入聚丙烯腈，常温下搅拌8h，得到均匀、粘稠、无沉淀物的棕色共混木质纤维素基纺丝前驱体；
步骤三、制备木质纤维素基碳纤维：
以步骤二所得木质纤维素基纺丝前驱体为原料，将其移入固定在注射器泵上的注射器中进行静电纺丝，静电纺丝的环境温度为30℃，湿度为65％RH，纺丝的推进速率为16.7μL/min、纺丝电压为24KV、接收距离为15cm、滚筒转速700rpm、往复运动为340r，得到前驱体纤维，所得前驱体纤维在60℃的条件下进行干燥处理；然后置于马弗炉中在220℃空气条件下预氧化12h，随后转移至管式炉中在氮气气氛下1000℃条件下碳化2h，得到木质纤维素基碳纤维。
实施例5
本实施例提供了一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法。
本实施例使用的木粉为木材加工的剩余木料制备的木粉，具体为白杨木粉，规格为100目；木粉的预处理方法为：将木粉用去离子水清洗后置于鼓风干燥箱中在60℃的条件下干燥48h。
本实施例使用的微晶纤维素购自中国上海鼎芬化工技术公司。
本实施例木质纤维素基碳纤维的制备方法包括如下步骤：
步骤一、提取木质素：
将预处理后的木粉浸入质量浓度为5％的氢氧化钠溶液中，水浴90℃条件下搅拌3h，离心收集上清液，使用盐酸将所得上清液pH值调至2，静置10h后离心收集沉淀，反复洗涤所得沉淀物，在60℃条件下干燥48h得到木质素；
步骤二、制备木质纤维素基前驱体：
按照木质素、微晶纤维素、N,N-二甲基甲酰胺溶剂、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和聚丙烯腈的质量比为0.5:0.5:18:0.02:0.001:2准备材料；
将步骤一所得木质素与微晶纤维素置于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在70℃条件下搅拌4h，随后加入异佛尔酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，充分搅拌11h后加入聚丙烯腈，常温下搅拌8h，得到均匀、粘稠、无沉淀物的棕色共混木质纤维素基纺丝前驱体；
步骤三、制备木质纤维素基碳纤维：
以步骤二所得木质纤维素基纺丝前驱体为原料，将其移入固定在注射器泵上的注射器中进行静电纺丝，静电纺丝的环境温度为32℃，湿度为75％RH，纺丝的推进速率为16.7μL/min、纺丝电压为24KV、接收距离为15cm、滚筒转速700rpm、往复运动为340r，得到前驱体纤维，所得前驱体纤维在60℃的条件下进行干燥处理；然后置于马弗炉中在220℃空气条件下预氧化12h，随后转移至管式炉中在氮气气氛下900℃条件下碳化2h，得到木质纤维素基碳纤维。
实施例6
本实施例提供了一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维及其制备方法。
本实施例使用的木粉为木材加工的剩余木料制备的木粉，具体为白杨木粉，规格为100目；木粉的预处理方法为：将木粉用去离子水清洗后置于鼓风干燥箱中在60℃的条件下干燥48h。
本实施例使用的微晶纤维素购自中国上海鼎芬化工技术公司。
本实施例木质纤维素基碳纤维的制备方法包括如下步骤：
步骤一、提取木质素：
将预处理后的木粉浸入质量浓度为5％的氢氧化钠溶液中，水浴85℃条件下搅拌5h，离心收集上清液，使用盐酸将所得上清液pH值调至2，静置14h后离心收集沉淀，反复洗涤所得沉淀物，在60℃条件下干燥48h得到木质素；
步骤二、制备木质纤维素基前驱体：
按照木质素、微晶纤维素、N,N-二甲基甲酰胺溶剂、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和聚丙烯腈的质量比为0.5:0.5:18:0.02:0.001:2准备材料；
将步骤一所得木质素与微晶纤维素置于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在80℃条件下搅拌2h，随后加入异佛尔酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，充分搅拌10h后加入聚丙烯腈，常温下搅拌7h，得到均匀、粘稠、无沉淀物的棕色共混木质纤维素基纺丝前驱体；
步骤三、制备木质纤维素基碳纤维：
以步骤二所得木质纤维素基纺丝前驱体为原料，将其移入固定在注射器泵上的注射器中进行静电纺丝，静电纺丝的环境温度为32℃，湿度为75％RH，纺丝的推进速率为16.7μL/min、纺丝电压为24KV、接收距离为15cm、滚筒转速700rpm、往复运动为340r，得到前驱体纤维，所得前驱体纤维在60℃的条件下进行干燥处理；然后置于马弗炉中在220℃空气条件下预氧化12h，随后转移至管式炉中在氮气气氛下800℃条件下碳化2h，得到木质纤维素基碳纤维。
Claims (9)
1.一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提取木质素：
将木粉浸入碱性溶液中加热搅拌，离心收集上清液，将所得上清液pH值调至酸性，静置后离心收集沉淀，得到木质素；
步骤二、制备木质纤维素基前驱体：
将步骤一所得木质素与微晶纤维素置于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，加热搅拌溶解后加入异佛尔酮二异氰酸酯和二月桂酸二丁基锡，充分搅拌混合后加入聚丙烯腈，常温下搅拌均匀，得到木质纤维素基纺丝前驱体，所述木质素、微晶纤维素、N,N-二甲基甲酰胺溶剂、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和聚丙烯腈的质量比为0.5:0.5:18:0.02:0.001:2；
步骤三、制备木质纤维素基碳纤维：
以步骤二所得木质纤维素基纺丝前驱体为原料进行静电纺丝，得到前驱体纤维，将所得前驱体纤维依次经过干燥、预氧化和碳化处理，得到木质纤维素基碳纤维。
2.根据权利要求1所述一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤一所述木粉为木材加工剩余料加工而成，具体为白杨木粉。
3.根据权利要求1或2所述一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤一所述碱性溶液为质量浓度为5％的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述加热搅拌为70～90℃条件下搅拌3～5h，所述将上清液pH值调至酸性是将上清液pH值调至2；所述静置的时间是10～16h。
4.根据权利要求3所述一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤二所述加热搅拌溶解为60～80℃下搅拌2～5h；所述充分搅拌混合的处理时间为10～12h；所述常温下搅拌均匀的时间为6～10h。
5.根据权利要求4所述一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤三所述静电纺丝的环境温度为30～32℃，湿度为65～75％RH，纺丝的推进速率为16.7μL/min、纺丝电压为24KV、接收距离为15cm、滚筒转速700rpm、往复运动为340r；所述前驱体纤维的干燥处理温度为60℃。
6.根据权利要求5所述一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤三所述预氧化处理是在空气条件下，温度为200～220℃预氧化12h。
7.根据权利要求6所述一种具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤三所述碳化处理是在保护气体气氛下800～1000℃碳化2h。
8.一种权利要求1-7任一所述的具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法制备的木质纤维素基碳纤维，其特征在于，所述木质纤维素基碳纤维中碳纤维的平均直径为0.21±0.03μm。
9.一种权利要求1-7任一所述的具有优异电化学性能的木质纤维素基碳纤维的制备方法制备的木质纤维素基碳纤维在柔性载体、电极、纺织品和传感器设备中的应用。
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|---|---|
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