一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法，其特征在于，包括：第一步：将干燥后的聚丙烯腈与增塑剂混合后在180～250℃下经双螺杆挤出机造粒得到聚丙烯腈母粒；第二步：以所得的聚丙烯腈母粒为皮层，以木质素为芯层，经熔融纺丝设备纺丝得到具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维；第三步：将具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维经加热箱进行牵伸，得到碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维。本发明专利技术提供的碳纤维前驱体具有可纺性好，生产成本低，可进行连续化生产等优点，有望进一步碳化得到成本较低的碳纤维，应用于碳纤维增强复合材料领域，市场前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法
本专利技术属于低成本碳纤维的制备领域，特别涉及一种熔融皮芯纺制备碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的方法。
技术介绍
石油基聚丙烯腈由于具有较高的熔点，且在加热过程中未熔融即开始分解，因此不能采用熔融加工的方式进行连续化生产。目前聚丙烯腈主要采用溶液纺丝的方法来制备碳纤维的前驱体，但溶液纺丝的成本较高，同时有机溶剂的使用对环境也造成一定的污染。成本较高的聚丙烯腈纤维使得碳纤维的价格居高不下，实际应用领域局限在航空航天等高端领域，对用量大的汽车等领域未有大规模涉及。随着石油资源的短缺和碳纤维应用领域的拓展，开发低成本可再生碳纤维显得尤为重要。在所有的可再生材料中，木质素由于具有原料来源广，价格低廉、碳含量高等优点而颇受关注。通过在聚丙烯腈中添加部分木质素来降低碳纤维前驱体的成本成为趋势。专利CN103748271A公布了一种制造含木质素的前体纤维和碳纤维的方法，该专利用部分木质素来代替聚丙烯腈，有效降低了生产成本，但其工艺仍为溶液纺丝，环境问题仍然未解决。专利CN103774276A公布了一种采用物理共混制备木质素/聚丙烯腈共混熔纺纤维的方法，该专利虽采用熔融加工的方法，但使用的增塑剂为离子液体，且添加比例高，木质素的添加量较少，同样面临成本和离子液体回收的问题。针对上述问题，本专利使用皮芯纺丝组件，采用熔融纺丝的方法制备了具有皮芯结构的碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维，有效降低了碳纤维前驱体的生产成本，解决了木质素较脆不能连续化生产的问题。本专利提供的碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素皮芯纤维可直接经预氧化、碳化等工艺应用于碳纤维增强复合材料领域，市场前景广阔。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种熔融皮芯纺制备碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的方法，该专利技术提供的碳纤维前驱体具有可纺性好，生产成本低，可进行连续化生产等优点，有望进一步碳化得到成本较低的碳纤维，应用于碳纤维增强复合材料领域，市场前景广阔。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法，其特征在于，包括：第一步：将干燥后的聚丙烯腈与增塑剂混合后在180～250℃下经双螺杆挤出机造粒得到聚丙烯腈母粒；第二步：以所得的聚丙烯腈母粒为皮层，以木质素为芯层，经熔融纺丝设备纺丝得到具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维；第三步：将具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维经加热箱进行牵伸，得到碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维。优选地，所述第一步中的增塑剂为三乙酸甘油酯，添加量为聚丙烯腈质量的3％～60％。优选地，所述第一步中的木质素为硫酸盐木质素、木质素磺酸盐、有机溶剂提取木质素和酶解木质素中的一种或多种。优选地，所述第二步中的熔融纺丝设备为带有皮芯纺丝组件的熔融纺丝设备。优选地，所述第二步中的纺丝过程中皮层和芯层的质量比为1∶9～9∶1。优选地，所述第二步中的聚丙烯腈母粒和木质素的纺丝温度分别为：180～280℃和170～240℃。优选地，所述第二步中的木质素经过提纯，提纯方法包括：将木质素溶于碱性溶液中，经陶瓷膜过滤设备进行过滤，将滤液调pH得到木质素沉淀物，反复洗涤沉淀物至中性，干燥去除挥发性成分得提纯后的木质素。优选地，所述第三步中的加热箱为内部具有压力的加热箱，加热温度为130～180℃，压力为0.01MPa-5MPa，牵伸倍数为1～5倍。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术中所提供的碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素皮芯纤维可纺性好，纤维品质优良；(2)本专利技术中所提供的碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素皮芯纤维采用的是熔融纺丝方法，生产成本大幅降低，同时避免了有机溶剂的使用；(3)本专利技术中所提供的碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素皮芯纤维以聚丙烯腈为皮层，保护了芯层木质素，有效解决了木质素较脆不能连续化生产的问题；(4)本专利技术中所提供的碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素皮芯纤维，有望进一步碳化得到低成本的碳纤维，应用于碳纤维增强复合材料领域，市场前景广阔。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法，具体为：取80℃下真空干燥24h的聚丙烯腈(重均分子量为4.5万)200g与20g三乙酸甘油酯在高速搅拌机中混合均匀，将所得的混合物在180～240℃下经双螺杆挤出机再次共混并造粒，得到增塑聚丙烯腈母粒。将600g木质素溶于氢氧化钠溶液中(浓度为10wt％)，经陶瓷膜过滤设备进行过滤(过滤精度为50KDa)，将滤液采用浓度为6mol/L的硫酸溶液调pH至2，得到木质素沉淀物，用去离子水反复洗涤沉淀物至中性，干燥去除挥发性成分得提纯后的木质素。取真空干燥好的100g增塑聚丙烯腈母粒和400g提纯后的木质素，以增塑聚丙烯腈母粒为皮层，以提纯后的木质素为芯层，经带有皮芯纺丝组件的熔融纺丝设备进行熔融纺丝，聚丙烯腈母粒和木质素的纺丝温度分别为180～280℃和170～240℃，计量泵转速分别为10rpm和40rpm，计量泵规格均为0.6cc/r，喷丝板规格为0.18mm×24f，卷绕速度为800m/min。将所得的具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维经加热箱加热并牵伸，加热温度为180～260℃，压力为0.01MPa，牵伸倍数为2倍，得到碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维。所得纤维的纤度为2.1dtex，断裂强度为3.5cN/dtex，断裂伸长率为21.2％。实施例2一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法，具体为：取80℃下真空干燥24h的聚丙烯腈(重均分子量为4.5万)200g与40g三乙酸甘油酯在高速搅拌机中混合均匀，将所得的混合物在180～230℃下经双螺杆挤出机再次共混并造粒，得到增塑聚丙烯腈母粒。将500g木质素溶于氢氧化钠溶液中(浓度为10wt％)，经陶瓷膜过滤设备进行过滤(过滤精度为50KDa)，将滤液采用浓度为6mol/L的硫酸溶液调pH至2，得到木质素沉淀物，用去离子水反复洗涤沉淀物至中性，干燥去除挥发性成分得提纯后的木质素。取真空干燥好的200g增塑聚丙烯腈母粒和300g提纯后的木质素，以增塑聚丙烯腈母粒为皮层，以提纯后的木质素为芯层，经带有皮芯纺丝组件的熔融纺丝设备进行熔融纺丝，聚丙烯腈母粒和木质素的纺丝温度分别为180～260℃和170～240℃，计量泵转速分别为20rpm和30rpm，计量泵规格均为0.6cc/r，喷丝板规格为0.18mm×24f，卷绕速度为800m/min。将所得的具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维经加热箱加热并牵伸，加热温度为180～260℃，压力为0.01MPa，牵伸倍数为3倍，得到碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维。所得纤维的纤度为1.8dtex，断裂强度为4.0cN/dtex，断裂伸长率为15.5％。实施例3一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法，具体为：取80℃下真空干燥24h的聚丙烯腈(重均分子量为4.5万)400g与120g三乙酸甘油酯在高速搅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法，其特征在于，包括：第一步：将干燥后的聚丙烯腈与增塑剂混合后在180～250℃下经双螺杆挤出机造粒得到聚丙烯腈母粒；第二步：以所得的聚丙烯腈母粒为皮层，以木质素为芯层，经熔融纺丝设备纺丝得到具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维；第三步：将具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维经加热箱进行牵伸，得到碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维前驱体聚丙烯腈/木质素纤维的制备方法，其特征在于，包括：第一步：将干燥后的聚丙烯腈与增塑剂混合后在180～250℃下经双螺杆挤出机造粒得到聚丙烯腈母粒；第二步：以所得的聚丙烯腈母粒为皮层，以木质素为芯层，经熔融纺丝设备纺丝得到具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维；所述的木质素经过提纯，提纯方法包括：将木质素溶于碱性溶液中，经陶瓷膜过滤设备进行过滤，将滤液采用硫酸调pH得到木质素沉淀物，反复洗涤沉淀物至中性，干燥去除挥发性成分得提纯后的木质素；所述的聚丙烯腈母粒和木质素的纺丝温度分别为：180～280℃和170～240℃；所述的纺丝过程中皮层和芯层的质量比为1:9～9:1；第三步：将具有皮芯结构的聚丙烯腈/木质素纤维经加热箱进行牵伸，得到碳纤维前驱体聚丙烯腈...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱美芳，王世超，周哲，李妍，相恒学，张天江，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31