本發(fā)明涉及化工及材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種木質(zhì)素基碳纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
碳纖維是含碳量在90 ％以上的纖維狀材料，具有多種類型，其高強(qiáng)度、高模量制作各種復(fù)合材料，可用于結(jié)構(gòu)材料使用，具有廣泛用途，然而碳纖維材料的原料主要依賴于化石資源，因此隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)及化石資源的逐漸枯竭，研究熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向利用可再生資源替代化石資源制備碳纖維的領(lǐng)域。其中木質(zhì)素為植物中的三大成份之一，在多數(shù)植物中含量約占15 ～ 30％，殘?zhí)剂扛?，因而可以制作多種碳材料，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有極為重要的戰(zhàn)略意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供了一種木質(zhì)素基碳纖維的制備方法，采用木質(zhì)素制備碳纖維，原料來源廣泛，生產(chǎn)成本低，且碳纖維性能優(yōu)異。
本發(fā)明針對上述技術(shù)缺陷所采用的技術(shù)方案是：
一種木質(zhì)素基碳纖維的制備方法,包括如下步驟：
a、木質(zhì)素預(yù)處理：對于酸性木質(zhì)素直接溶于60-100倍體積的有機(jī)溶劑中進(jìn)行過濾，其后在110-120℃下真空干燥4-6h，備用，另外對于堿性木質(zhì)素要在酸洗前進(jìn)行一次過濾，再用酸性調(diào)節(jié)劑進(jìn)行酸洗、濃縮并干燥，其后再將干燥后的木質(zhì)素溶于60-100倍體積的有機(jī)溶劑中進(jìn)行二次過濾，最后在80-100℃下真空干燥8-10h；
b、紡絲原液配制：將步驟a預(yù)處理過的木質(zhì)素加入60-80倍體積的有機(jī)合成劑中攪拌均勻，并在惰性氣體形成的氛圍下從室溫加熱至120-150℃，反應(yīng)時(shí)間為1-2h；
c、纖維原絲生成：在經(jīng)步驟b處理得到的紡絲原液中加入山梨醇、乙二胺或三羥甲基丙烷中的任意一種，并在惰性氣體形成的氛圍下進(jìn)行熔融紡絲，紡絲溫度為50-65℃，即得纖維原絲；
d、纖維預(yù)氧化：將得到的木質(zhì)素纖維原絲置于空氣中預(yù)氧化，預(yù)氧化溫度從35℃升溫至250℃需要經(jīng)過5次升溫，且每次升溫的增幅不超過50%；
e、纖維碳化：將經(jīng)步驟d預(yù)氧化過的纖維在惰性氣體形成的氛圍下加熱碳化，從室溫升溫至600-1000℃，且升溫的速率為1℃ -2℃ /min；
f、纖維石墨化：將經(jīng)步驟e碳化過的纖維在惰性氣體形成的氛圍下加熱石墨化，加熱溫度為1500-2500℃，即可得到木質(zhì)素基碳纖維。
進(jìn)一步地，步驟a中所述有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇中的任意一種，所述酸性調(diào)節(jié)劑為硫酸、鹽酸、磷酸中的任意一種。
進(jìn)一步地，步驟a中所述有機(jī)合成劑為乙二醇。
進(jìn)一步地，步驟d中所述5次升溫的具體操作如下：第一次升溫從35℃至52℃，升溫時(shí)間為10-20min；第二次升溫從52℃至78℃，升溫時(shí)間為10-15min；第三次升溫從78℃至116℃，升溫時(shí)間為6-10min；第四次升溫從116℃至175℃，升溫時(shí)間為4-8min；第二次升溫從175℃至250℃，升溫時(shí)間為2-3min。
進(jìn)一步地，步驟b-f中任意一項(xiàng)所述的惰性氣體為氦氣、氬氣、氖氣中任意一種或一種以上的組合。
進(jìn)一步地，步驟b-f中任意一項(xiàng)所述的惰性氣體形成的氛圍的壓力為減壓狀態(tài)。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在用木質(zhì)素制備碳纖維前增加預(yù)處理步驟，使得木質(zhì)素的紡絲性能提高，且在紡絲過程中采用醇類有機(jī)溶劑，相較于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，污染小，綠色環(huán)保，而且在整個(gè)制備過程中，除了纖維的預(yù)氧化處理，其余處理均在惰性氣體形成的保護(hù)氛圍下操作，工藝簡單，易于控制，使得制備出來的木質(zhì)素基碳纖維的性能優(yōu)異，木質(zhì)素纖維的利用率也大大提高，成本投入低，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
具體實(shí)施方式
為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，該實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限定。
實(shí)施例1
一種木質(zhì)素基碳纖維的制備方法,包括如下步驟：
a、木質(zhì)素預(yù)處理：對于酸性木質(zhì)素直接溶于60倍體積的甲醇中進(jìn)行過濾，其后在110℃下真空干燥4h，備用，另外對于堿性木質(zhì)素要在酸洗前進(jìn)行一次過濾，再用硫酸進(jìn)行酸洗、濃縮并干燥，優(yōu)選的硫酸濃度為75%，其后再將干燥后的木質(zhì)素溶于60倍體積的甲醇中進(jìn)行二次過濾，最后在80℃下真空干燥8h；
b、紡絲原液配制：將步驟a預(yù)處理過的木質(zhì)素加入60倍體積的乙二醇中攪拌均勻，并在氦氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下從室溫加熱至120℃，反應(yīng)時(shí)間為1h；
c、纖維原絲生成：在經(jīng)步驟b處理得到的紡絲原液中加入山梨醇、乙二胺或三羥甲基丙烷中的任意一種，并在氦氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下進(jìn)行熔融紡絲，紡絲溫度為50℃，即得纖維原絲；
d、纖維預(yù)氧化：將得到的木質(zhì)素纖維原絲置于空氣中預(yù)氧化，預(yù)氧化溫度從35℃升溫至250℃需要經(jīng)過5次升溫，且每次升溫的增幅不超過50%，5次升溫的具體操作如下：第一次升溫從35℃至52℃，升溫時(shí)間為10min；第二次升溫從52℃至78℃，升溫時(shí)間為10min；第三次升溫從78℃至116℃，升溫時(shí)間為6min；第四次升溫從116℃至175℃，升溫時(shí)間為4min；第二次升溫從175℃至250℃，升溫時(shí)間為2min；
e、纖維碳化：將經(jīng)步驟d預(yù)氧化過的纖維在氦氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下加熱碳化，從室溫升溫至600℃，且升溫的速率為1℃/min；
f、纖維石墨化：將經(jīng)步驟e碳化過的纖維在氦氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下加熱石墨化，加熱溫度為1500℃，即可得到木質(zhì)素基碳纖維。
實(shí)施例2
一種木質(zhì)素基碳纖維的制備方法,包括如下步驟：
a、木質(zhì)素預(yù)處理：對于酸性木質(zhì)素直接溶于80倍體積的乙醇中進(jìn)行過濾，其后在120℃下真空干燥5h，備用，另外對于堿性木質(zhì)素要在酸洗前進(jìn)行一次過濾，再用鹽酸進(jìn)行酸洗、濃縮并干燥，優(yōu)選的鹽酸濃度為36%，其后再將干燥后的木質(zhì)素溶于80倍體積的乙醇中進(jìn)行二次過濾，最后在90℃下真空干燥9h；
b、紡絲原液配制：將步驟a預(yù)處理過的木質(zhì)素加入70倍體積的乙二醇中攪拌均勻，并在氬氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下從室溫加熱至140℃，反應(yīng)時(shí)間為2h；
c、纖維原絲生成：在經(jīng)步驟b處理得到的紡絲原液中加入山梨醇、乙二胺或三羥甲基丙烷中的任意一種，并在氬氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下進(jìn)行熔融紡絲，紡絲溫度為60℃，即得纖維原絲；
d、纖維預(yù)氧化：將得到的木質(zhì)素纖維原絲置于空氣中預(yù)氧化，預(yù)氧化溫度從35℃升溫至250℃需要經(jīng)過5次升溫，且每次升溫的增幅不超過50%，5次升溫的具體操作如下：第一次升溫從35℃至52℃，升溫時(shí)間為15min；第二次升溫從52℃至78℃，升溫時(shí)間為13min；第三次升溫從78℃至116℃，升溫時(shí)間為8min；第四次升溫從116℃至175℃，升溫時(shí)間為6min；第二次升溫從175℃至250℃，升溫時(shí)間為2min；
e、纖維碳化：將經(jīng)步驟d預(yù)氧化過的纖維在氬氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下加熱碳化，從室溫升溫至800℃，且升溫的速率為1℃/min；
f、纖維石墨化：將經(jīng)步驟e碳化過的纖維在氬氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下加熱石墨化，加熱溫度為2000℃，即可得到木質(zhì)素基碳纖維。
實(shí)施例3
一種木質(zhì)素基碳纖維的制備方法,包括如下步驟：
a、木質(zhì)素預(yù)處理：對于酸性木質(zhì)素直接溶于100倍體積的異丙醇中進(jìn)行過濾，其后在120℃下真空干燥6h，備用，另外對于堿性木質(zhì)素要在酸洗前進(jìn)行一次過濾，再用磷酸進(jìn)行酸洗、濃縮并干燥，優(yōu)選的磷酸濃度為85%，其后再將干燥后的木質(zhì)素溶于100倍體積的異丙醇中進(jìn)行二次過濾，最后在100℃下真空干燥10h；
b、紡絲原液配制：將步驟a預(yù)處理過的木質(zhì)素加入80倍體積的乙二醇中攪拌均勻，并在氖氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下從室溫加熱至150℃，反應(yīng)時(shí)間為2h；
c、纖維原絲生成：在經(jīng)步驟b處理得到的紡絲原液中加入山梨醇、乙二胺或三羥甲基丙烷中的任意一種，并在氖氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下進(jìn)行熔融紡絲，紡絲溫度為65℃，即得纖維原絲；
d、纖維預(yù)氧化：將得到的木質(zhì)素纖維原絲置于空氣中預(yù)氧化，預(yù)氧化溫度從35℃升溫至250℃需要經(jīng)過5次升溫，且每次升溫的增幅不超過50%，5次升溫的具體操作如下：第一次升溫從35℃至52℃，升溫時(shí)間為20min；第二次升溫從52℃至78℃，升溫時(shí)間為15min；第三次升溫從78℃至116℃，升溫時(shí)間為10min；第四次升溫從116℃至175℃，升溫時(shí)間為8min；第二次升溫從175℃至250℃，升溫時(shí)間為3min；
e、纖維碳化：將經(jīng)步驟d預(yù)氧化過的纖維在氖氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下加熱碳化，從室溫升溫至1000℃，且升溫的速率為2℃ /min；
f、纖維石墨化：將經(jīng)步驟e碳化過的纖維在氖氣形成的氛圍且為減壓狀態(tài)下加熱石墨化，加熱溫度為2500℃，即可得到木質(zhì)素基碳纖維。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在用木質(zhì)素制備碳纖維前增加預(yù)處理步驟，使得木質(zhì)素的紡絲性能提高，且在紡絲過程中采用醇類有機(jī)溶劑，相較于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，污染小，綠色環(huán)保，而且在整個(gè)制備過程中，除了纖維的預(yù)氧化處理，其余處理均在惰性氣體形成的保護(hù)氛圍下操作，工藝簡單，易于控制，使得制備出來的木質(zhì)素基碳纖維的性能優(yōu)異，木質(zhì)素纖維的利用率也大大提高，成本投入低，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。