用于产生木质素纤维的方法技术

技术编号:9467009 阅读:159 留言:0更新日期:2013-12-19 03:36
公开了由软木和/或硬木碱木质素生产连续木质素纤维的方法。可以进一步处理该木质素纤维以获得结构碳纤维。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于产生木质素纤维的方法
本专利技术涉及由软木和/或硬木碱木质素来生产木质素纤维和结构碳纤维的方法。
技术介绍
碳纤维是高强度轻质材料,其通常通过聚丙烯腈的热处理和热解来产生,其中上述聚丙烯腈是制备自石油原料的合成材料,但在次要程度上也可以使用其它前体如基于石油或煤的沥青以及人造丝纤维。目前的前体存在某些缺点,如聚丙烯腈的高价格和它的慢石墨化以及沥青的质量参差不齐。另外,所使用的两种主要商业前体是来自不可再生来源。木质素存在于所有维管植物中,这使得它在自然界的聚合物中的丰度仅次于纤维素。在纸浆和造纸工业中,大量的木质素作为副产物而产生,其主要用作纸浆厂中内部产生的能量来源。在世界上,牛皮纸浆制法(kraftprocess)主要用于从木材中释放纤维素纤维,用于进一步加工成纸、纸板和薄纸制品。在此过程中,木质素变得溶解于碱制浆液,表示为黑液(blackliquor),由其可以被进一步加工成能量,其中通过燃烧部分蒸发的黑液,或者可替代地,通过添加酸以固体形式加以分离。因为木质素的主要部分可以从已经处于高pH值的黑液中沉淀出,所以可以以若干步骤来分离木质素,如描述于书Lignins(木质素)(EdsK.V.SarkanenandC.H.Ludwig,Wiley-Interscience1971,p672)中。这样的木质素沉淀物将仍然包含可观量的钠和其它无机物质,从而使得木质素不适宜作为结构碳纤维的前体(见下文)。碱木质素获自黑液,黑液获自牛皮纸或碱化纸浆。商业上,这些制浆过程应用于软木、硬木以及应用于一年生植物生物质。在制浆时,一些木头聚合物,尤其是木质素和半纤维素,在极大程度上被化学改性并溶解于黑液中。在碱法制浆过程中使用的木材物质中,主要的裸子植物物种(软木)包括云杉、松树、落叶松、铁杉和花旗松。主要的被子植物物种(硬木)包括桦树、白杨(aspen)、杨树(poplar)、桉树品种、洋槐(acacia)、和槭树。在出版的文献中,已提出,木质素可以是碳纤维的替代前体,这是由于它潜在的较大可用性、它的预期的较低成本、以及它的高碳含量(>60%)。另外,木质素是可再生原料。已分辨出两种类型的碳纤维:1)连续纺制的、固体和均匀的碳纤维,在建筑材料中用作强度增强单元(strength-givingreinforcementelement)(在本文中还被称为结构碳纤维);以及2)具有较大内部孔隙结构的活化的多孔碳纤维,用于吸附气体和液体,其中可以借助于例如氢氧化钾或氢氧化钠、氯化锌或亚磷酸完成化学上活化,或借助于例如蒸汽或二氧化碳、或通过将后者施加于化学预活化的纤维,来完成物理上活化(CarbonFiberApplication,inthe3rded.ofthebookCarbonFiber,Eds.Donnet,Wang,RebouillatandPeng,MarcelDekker1998,p.463)。在利用源自木质材料的木质素来碳化木质素纤维的早期尝试中,产生了适用于吸附产物的若干类型的活化碳纤维,如描述于美国专利3,461,082。使用了硫化木质素(硫酸盐木质素(kraftlignin))、碱木质素(来自碱化纸浆)、或来自硬木和软木的木质素磺酸钙,以及在实施例中,描述了利用湿纺、干纺和熔体纺丝产生的纤维。虽然干纺似乎是纤维生产的优选方式,但在实施例5中,在氩气气氛和在170℃下使用软木和硬木硫化木质素(按重量计1:1)的混合物,以通过熔纺来制备木质素纤维。在空气中并在150℃下预处理10小时以后,进一步加热纤维至900℃并在该温度下在1小时期间通过引入空气加以活化。在进一步的实施例中,尝试了其它活化剂如氯化锌、氢氧化钠、或氢氧化钾。然而,仅可以产生长度短的纤维。迄今为止,由100%未分级的(unfractionated)或分级的(fractionated)软木木质素来生产连续碳纤维的所有尝试已经失败。通过使用低分子质量分数木质素,其获自木质素在有机溶剂中的分级(分馏,fractionation),仅可以生产不连续木质素纤维。另一方面,通过挤出与软化剂如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚环氧乙烷(PEO)混合后的木质素,已制备了来自广泛纯化的硬木硫酸盐木质素的纤维。通过在空气中稳定化并且碳化,已将产生的木质素纤维进一步转化成碳纤维。因为软木制浆主要在北半球,所以需要一种方法通过由软木碱木质素生产木质素纤维来利用这种原材料来源,供进一步用作碳纤维制造的前体。此外,需要由硬木碱木质素来制造木质素纤维(其随后用作碳纤维前体)的方法,而无需昂贵的软化剂以及用于纯化硬木碱木质素的精细过程。
技术实现思路
按照本专利技术的第一方面,提供用于生产连续木质素纤维的方法,该方法包括以下步骤:a)提供分级和分离的硬木碱木质素或分级和分离的软木碱木质素;b)向分级的硬木碱木质素可选地添加未分级的软木碱木质素和/或未分级的硬木碱木质素(下文中还统称为“未分级的木质素”,或简单地“木质素”);或c)向分级的软木碱木质素可选地添加未分级的硬木碱木质素;d)挤出形成的材料,借此获得连续木质素纤维。在一种实施方式中,分级和分离的硬木碱木质素的量是100%的待挤出的材料。在另一种实施方式中,分级和分离的软木碱木质素的量是100%的待挤出的材料。按照本专利技术,未分级的软木碱木质素和/或未分级的硬木碱木质素可以与分级和分离的硬木碱木质素混合。按照如本文描述的超滤原则,后者已被有利地分级。可以通过例如硬木黑液的分级来获得所提供的分级的硬木碱木质素。在一种实施方式中,分级和分离的硬木碱木质素达到按重量计1.5-100%的待挤出的材料。在一种实施方式中,分级和分离的硬木碱木质素达到按重量计2、2.5、3、3.5、4上达至100%的待挤出的材料。可替代地,分级和分离的硬木碱木质素可以达到按重量计5-100、或5-95%的待挤出的材料。在又一种实施方式中,分级和分离的硬木碱木质素的添加范围是按重量计25-75%的待挤出的材料。一种构成分级和分离的硬木碱木质素、未分级的软木碱木质素和/或未分级的硬木碱木质素的材料(并且其中少于1.5%的上述材料构成分级的硬木碱木质素)将作为例如100%未分级的软木碱木质素(或100%未分级的硬木碱木质素),并且不能获得连续纤维。按照本专利技术,分级和分离的软木碱木质素可以与未分级的硬木碱木质素混合。按照如本文描述的超滤原则,分级和分离的软木碱木质素已有利地被分级。可以通过例如软木黑液的分级来获得所提供的分级的软木碱木质素。在一种实施方式中,分级和分离的软木碱木质素达到按重量计50-100%的待挤出的材料。可替代地,分级和分离的软木碱木质素达到按重量计60-90%的待挤出的材料。在又一种可替换方式中,分级和分离的软木碱木质素达到按重量计75-85%的待挤出的材料。一种构成分级和分离的软木碱木质素、未分级的硬木碱木质素的材料(并且其中少于50%的材料构成分级和分离的软木碱木质素)将作为例如100%未分级的软木碱木质素(或100%未分级的硬木碱木质素),并且不能获得连续纤维。存在分级木质素以获得分级的碱木质素的各种方式。在一种实施方式中,利用超滤。在本专利技术的另一种实施方式中,并不利用在一种或多种有机溶剂中的提取来获得分级的碱木质素本文档来自技高网
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用于产生木质素纤维的方法

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.14 SE 1150114-5;2011.02.25 SE 1150179-8;201.生产连续木质素纤维的方法,包括以下步骤:a)提供分级和分离的硬木碱木质素或分级和分离的软木碱木质素;b)向所述分级和分离的硬木碱木质素添加未分级的软木碱木质素和/或未分级的硬木碱木质素,或c)向所述分级和分离的软木碱木质素添加未分级的硬木碱木质素;d)在超过所述木质素材料的玻璃化转变温度20-85℃的温度下进行所述木质素材料的熔融挤出,其中,按重量计,在a)中的所述分级和分离的硬木碱木质素达到所述木质素材料总重量的1.5-95%,或者其中,按重量计,在a)中的所述分级和分离的软木碱木质素达到总重量的50-90%。2.根据权利要求1所述的生产连续木质素纤维的方法,其中,所述木质素纤维后续经历稳定化。3.生产结构碳纤维的方法,其中,通过根据权利要求2所述的方法制备得到的木质素纤维经历碳化。4.生产结构碳纤维的方法,其中,根据权利要求1所述的木质素纤维经历以下后续处理步骤:e)稳定所述木质素纤维;f)碳化稳定的所述木质...

【专利技术属性】
技术研发人员:伊丽莎白·舍霍尔姆约兰·格勒施泰特里卡德·德罗格艾达·布罗丁于尔娃·努德斯特伦
申请(专利权)人:因文特亚有限公司
类型:
国别省市:

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