一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法，该方法首先根据绝大部分无机盐溶解于酸性水溶液中的特性用弱酸水溶液提取木质素，再将通过弱酸水溶液提取的木质素利用药剂进行改性，然后再进行熔融拉丝，并将拉丝后的原丝进行预氧化处理，其处理方式可以是添加偶联剂后直接预加热或者是直接进行紫外光照射再进行预加热，然后将预氧化处理的中间产物进行碳化，即得成品碳纤维丝。本发明专利技术能大大缩短稳定化所需的时间，从而大幅度提高生产效率，进而降低生产成本。

A method for preparing carbon fiber from lignin extracted from aqueous solution

The invention discloses a method for preparing carbon fiber from lignin extracted from aqueous solution. The method firstly extracts lignin from weak acid aqueous solution according to the characteristics of most inorganic salts dissolved in acidic aqueous solution, and then modifies the lignin extracted from weak acid aqueous solution with chemicals, and then melt drawing. And then the pre-oxidized precursor can be directly pre-heated after adding coupling agent or directly irradiated by ultraviolet light and then pre-heated, and then the intermediate product of pre-oxidized carbonization, that is, the finished carbon fiber. The invention can greatly shorten the time needed for stabilization, thereby greatly improving the production efficiency and thereby reducing the production cost.

【技术实现步骤摘要】
一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法
本专利技术涉及新材料技术中的碳纤维材料领域，具体为一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法。
技术介绍
木质素是一种可再生的生物原料，其广泛存在于自然界的植物体中，占了植物总重量的25～35％。在现代工业中，木质素主要是作为造纸工业的副产品，其原材料广泛、产量大，每年的产量超过5000万吨，但是其实际利用率却极低，除了极小一部分被利用之外，绝大部分都被当做燃料进行焚烧，而且这种木质素燃料燃烧效率低，其燃烧过程会释放出大量二氧化碳、一氧化碳以及其他一些燃烧污染物，会对环境造成较大的压力。而另外一方面，木质素由于其价格及其便宜，而且其含碳量高，也被认为是碳纤维制备的理想原材料，常用的木质素制备碳纤维的主要制备步骤包括：(1)木质素提纯；(2)木质素原料配比，如可以添加增塑剂，有机溶剂，及其它化学试剂等；(3)原丝的形成；(4)原丝的稳定化；(5)高温碳化。且现有技术中，也有研究团队根据不同的原材料(木质素来源)提出的不同的提纯方法，但研究结果十分分散，且在关键的成本控制方面没有重大突破，其主要集中在两个方面：一方面是木质素虽然产量大价格便宜，但是如果利用其制备碳纤维需要首先对其进行提纯操作，而木质素结构复杂，且不同木质素的性能差异大，对于木质素的提纯，现有的研究大多数用有机溶剂提取木质素(因为无机盐不溶于有机溶剂)，其提纯效果好，但成本可能相对较高，包括溶剂成本(溶剂可绝大部分回收)，除溶剂成本(加热蒸发)，以及可能环境成本。另外，由于有机溶剂不能溶解大分子量的木质素高分子成分，其提纯的产率一般低于80％，造成原材料成本的进一步上升。而另一方面就是木质素碳纤维的热稳定化即加热氧化的需求时间很长，一般多达十几到几十个小时，而现有的技术对该类问题的解决，都是通过不同的木质素来源(如软木木质素碳纤维的稳定化时间相对短)，提取不同的木质素成分(不同的有机溶剂提取)，以及原材料木质素配方(如混合不同的木质素等)来寻找相对短时间的碳纤维稳定化过程，但是这些方法都不能够从根本上解决问题(总的稳定化时间仍然很长)，且其成本高，操作复杂，不具有实际生产操作的可能性。基于上述原因，现有技术都没有完全解决上述两个问题所造成木质素碳纤维的加工效率低下、生产成本过高的问题，因而对其产业化生产的影响较小。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法，以解决上述技术背景中的缺陷。本专利技术所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法，具体包括以下操作步骤：1)弱酸提纯木质素：首先在pH为2～6的弱酸性水溶液中加入木质素，控制弱酸性水溶液中的水溶液与木质素重量比为4:1～20:1之间，然后将溶液温度控制在室温～60℃之间，搅拌均匀，搅拌完成后用清水洗净，并以此完成一个提纯循环，对同一木质素物料进行2～5次提纯循环，然后将提纯后的木质素先烘干，再真空干燥到含水量＜2％。在上述操作步骤中，对提纯后的木质素进行烘干和真空干燥操作时，控制环境温度低于80℃。2)低成本稳定化操作：将步骤1)中提纯并干燥后的木质素和增塑剂、偶联剂混合，控制木质素和增塑剂的质量比例在95:5到50:50之间，控制偶联剂加入的质量为木质素和增塑剂混合物总质量的0.1％到10％，并对将上述混合物进行熔融操作，在熔融条件下拉丝，然后对拉丝成型后的原丝进行加热预氧化稳定处理，控制预氧化的温度控制在250到350℃之间，处理1.2～6h，然后将预氧化后的碳纤维进行碳化，控制碳化温度为800到1400℃直至材料完全碳化，即得到成品碳纤维。在上述操作步骤中，所述增塑剂为沸点＞100℃的有机溶剂、聚合物或它们的混合物，优选采用PEG。在上述操作步骤中，所述偶联剂为含碳原子数＜6个的低分子量有机胺化合物，亚胺化合物或者它们的任意比例条件下的的混合物，聚合物，共聚物。在上述操作步骤中，所述熔融拉丝操作的拉丝温度控制在80～200℃，其拉丝方式为熔融拉丝、熔融离心甩丝和熔融吹丝中的一种。在上述方法中，通过在木质素和增塑剂的混合物中加入增塑剂以及偶联剂的方式，配合特定的工艺进行稳定化操作，其加入增塑剂是为了降低混合物的熔融温度，使偶联剂在碳纤维拉丝温度下相对稳定，但在加热预氧化(即稳定化)过程中，偶联剂的可以促进木质素分子链之间的聚合，加快大分子量聚合物的形成，提高碳纤维原丝的玻璃化温度，从而降低稳定化所需要的时间，节约成本。另外，在本专利技术中，作为并列技术方案，也可在不加偶联剂的情况下通过紫外光照射进行低成本稳定化操作，其具体操作步骤如下：首先将步骤1)中提纯并干燥后的木质素和增塑剂混合，控制木质素和增塑剂的质量比例在95:5到50:50之间，并将上述混合物在熔融条件下拉丝，然后对拉丝成型后的原丝进行收集，并在空气中用紫外灯照射，控制紫外灯功率为1～20KW，光照时间5～120min，最后对拉丝成型后的原丝进行加热预氧化稳定处理，控制预氧化的温度在250到350℃之间，处理1.2～6h，再将预氧化后的碳纤维进行碳化，控制碳化温度为800到1400℃直至材料完全碳化，即得到成品碳纤维。在上述操作步骤中，所述增塑剂为沸点＞100℃的有机溶剂、聚合物或它们的混合物。在上述操作步骤中，所述熔融拉丝操作的拉丝温度控制在80～200℃，其拉丝方式为熔融拉丝、熔融离心甩丝和熔融吹丝中的一种。在上述操作步骤中，所述紫外灯照射处理可以是分批次的也可以是连续处理过程。该并列技术方案可以在不加偶联剂的情况下，将木质素碳纤维原丝进行紫外光照射。利用强紫外光生成的臭氧作为强氧化剂，在不需加热的情况下促进碳纤维原丝表面的氧化，从而达到与上述加热预处理类似的稳定化效果，然后再将经预处理的原丝再进行热稳定化，而此时，由于纤维丝面已经氧化，所以热稳定化处理的时间可以大幅度降低，也能有效降低生产成本。在本专利技术中，作为原料的木质素来源为软木，硬木和草本植物，优选为稻草，麦秆，芦苇，玉米秸秆，竹子。在本专利技术中，作为原料的木质素为单一种类木质素。在本专利技术中，作为原料的木质素为两种或两种以上的木质素的任意比例的混合物。有益效果：本专利技术提供的利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法，利用软木，硬木和草本植物中提取的木质素作为原料，对其进行提纯和稳定化操作，其提纯方式能有效从初级木质素中提取纯度99.5％以上的中高分子量的木质素成分，并能有效降低处理成本，提高产率；而稳定化操作可通过两种不同方法进行操作，均能大大缩短稳定化所需的时间，从而大幅度提高生产效率，进而降低生产成本。附图说明图1为本专利技术的较佳实施例一的工艺框架图。图2为本专利技术的较佳实施例二的工艺框架图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例及其图示，进一步阐述本专利技术。实施例一：参见图1的一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法的工艺框架图的方式来进行碳纤维加工，在本实施例中，采用单一的芦苇作为原料，并利用木质素提取工艺对芦苇中的木质素进行提取，将提取的木质素加入pH值为6的弱酸性水溶液中，控制弱酸性水溶液中的水溶液与木质素重量比为16:1，将混合物溶液在室温下进行酸解反应，在酸解反应过程中搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法，其特征在于，具体包括以下操作步骤：1)弱酸提纯木质素：首先在pH为2～6的弱酸性水溶液中加入木质素，控制弱酸性水溶液中的水溶液与木质素重量比为4:1～20:1之间，然后将溶液温度控制在室温～60℃之间，搅拌均匀，搅拌完成后用清水洗净，并以此完成一个提纯循环，对同一木质素物料进行2～5次提纯循环，然后将提纯后的木质素先烘干，再真空干燥到含水量＜2％；2)低成本稳定化操作：将步骤1)中提纯并干燥后的木质素和增塑剂、偶联剂混合，控制木质素和增塑剂的质量比例在95:5到50:50之间，控制偶联剂加入的质量为木质素和增塑剂混合物总质量的0.1％到10％，并对将上述混合物进行熔融操作，在熔融条件下拉丝，然后对拉丝成型后的原丝进行加热预氧化稳定处理，控制预氧化的温度控制在250到350℃之间，处理1.2～6h，然后将预氧化后的碳纤维进行碳化，控制碳化温度为800到1400℃直至材料完全碳化，即得到成品碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法，其特征在于，具体包括以下操作步骤：1)弱酸提纯木质素：首先在pH为2～6的弱酸性水溶液中加入木质素，控制弱酸性水溶液中的水溶液与木质素重量比为4:1～20:1之间，然后将溶液温度控制在室温～60℃之间，搅拌均匀，搅拌完成后用清水洗净，并以此完成一个提纯循环，对同一木质素物料进行2～5次提纯循环，然后将提纯后的木质素先烘干，再真空干燥到含水量＜2％；2)低成本稳定化操作：将步骤1)中提纯并干燥后的木质素和增塑剂、偶联剂混合，控制木质素和增塑剂的质量比例在95:5到50:50之间，控制偶联剂加入的质量为木质素和增塑剂混合物总质量的0.1％到10％，并对将上述混合物进行熔融操作，在熔融条件下拉丝，然后对拉丝成型后的原丝进行加热预氧化稳定处理，控制预氧化的温度控制在250到350℃之间，处理1.2～6h，然后将预氧化后的碳纤维进行碳化，控制碳化温度为800到1400℃直至材料完全碳化，即得到成品碳纤维。2.一种利用水溶液提取的木质素制备碳纤维的方法，其特征在于，具体包括以下操作步骤：1)弱酸提纯木质素：首先在pH为2～6的弱酸性水溶液中加入木质素，控制弱酸性水溶液中的水溶液与木质素重量比为4:1～20:1之间，然后将溶液温度控制在室温～60℃之间，搅拌均匀，搅拌完成后用清水洗净，并以此完成一个提纯循环，对同一木质素物料进行2～5次提纯循环，然后将提纯后的木质素先烘干，再真空干燥到含水量＜2％；2)低成本稳定化操作：将步骤1)中提纯并干燥后的木质素和增塑剂混合，控制木质素和增塑剂的质量比例在95:5到50:50之间，并将上述混合物在熔融条件下拉丝，然后对拉丝成型后的原丝进行收集，并在空气中用紫外灯照射，控制紫外灯功率为1～20KW，光照时间5～120...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊彬懿，代徐良，
申请(专利权)人：熊彬懿，代徐良，
类型：发明
国别省市：湖南,43