一种用于制备木质素基碳纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于制备木质素基碳纤维的方法。该方法包括木质素分级、纺丝液配制、静电纺丝、热处理。本发明专利技术方法以造纸厂制浆黑液木质素为原料，有利于环境保护；从中提取适合纺丝的木质素级份，提取所用溶剂可回收循环利用，成本低污染小；静电纺丝过程所用溶剂无毒无害，且不添加任何高聚物，避免了石油基化合物的使用，因此所制备的木质素基碳纤维材料是一种安全绿色环保的产品。本发明专利技术原料充足、易得、成本小、操作简单、设备要求低，具有较好的工业化生产前景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于制备木质素基碳纤维的方法
本专利技术属于高分子材料领域，具体涉及一种用于制备木质素基碳纤维的方法。
技术介绍
市场上90％以上的碳纤维是以聚丙烯腈(PAN)为前躯体制备的，还有少部分碳纤维是以沥青为前躯体制备的。虽然用这些石油副产物作为前躯体可制备性能良好的碳纤维，但是，消耗石油资源会使得碳纤维的制造成本增加，碳纤维的价格也会随之增长。碳纤维的应用前景非常广阔，但高昂的生产成本制约了碳纤维的发展，因此寻找合适的前躯体替代品来降低碳纤维的制造成本成为一个亟需解决的问题。木质素广泛存在于植物组织中，其含量仅次于纤维素。木质素是由对香豆醇，松柏醇和芥子醇衍生的多相芳香族高分子化合物，碳含量高达60％以上，是制备碳基材料的天然原料。造纸黑液中含有大量的木质素，目前主要通过碱回收系统将其浓缩燃烧提供热能，未充分发掘木质素的潜在价值。利用木质素作为前躯体制造碳纤维，不仅可以降低碳纤维的制造成本，还能解决造纸工业废弃物木质素的高值化利用等问题。中国专利公开号101768799A公开了一种木质素纳米碳纤维的制备方法，在提取适合纺丝的木质素时使用超滤技术，耗时长，成本高；而在提纯木质素时又使用大量乙醚，有害有毒。中国专利公开号105862173A公开了一种碱木质素基静电纺丝碳纤维的制备方法，在配制纺丝液时添加了聚丙烯腈，不仅增加了碳纤维的制备成本，而且所用溶剂N,N二甲基甲酰胺对人体及环境有害，不易于大规模生产。助纺剂的添加会使得碳纤维的制造成本增加，而且用于溶解高聚物的溶剂一般是有毒的有机溶剂，有些高聚物更是难以降解的，所以寻找一种不添加任何高聚物的木质素基碳纤维的制备方法迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于制备木质素基碳纤维的方法，该方法是一种不添加任何助纺剂的木质素基碳纤维的制备方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种木质素基静电混纺材料的制备方法，该方法包括如下步骤：1.一种用于制备木质素基碳纤维的方法，包括以下步骤：(1)提取粗木质素：粗木质素来源于造纸制浆黑液，采用酸析沉淀提取黑液木质素，得到粗木质素。(2)将粗木质素溶解于溶剂中，得到纯化木质素并配制成特定溶度的纺丝液，具体操作如下：取粗木质素5g，加入50mL的丙酮、甲醇或乙酸乙酯，在5000r/min的离心机中离心20min，取其上清液在30℃下旋转蒸发，所得固体即为提纯后的木质素，将其放入40℃的真空干燥箱中干燥，得到纯化木质素，蒸发得到的液体即为丙酮、甲醇或乙酸乙酯可回收利用；将纯化木质素溶解于冰乙酸或甲酸配制成溶质含量为35％～45％的纺丝液。(3)采用静电纺丝工艺制备木质素纤维原丝；将步骤(2)得到的纺丝液进行经典纺丝得到木质素纤维原丝，静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为8～10cm，喷丝针头为25G～28G，高压静电发生器的电压为10kV～18kV，静电纺丝液进料速度为0.5～1mL/h。(4)热处理后得到木质素基碳纤维产品：将步骤(3)得到的木质素纤维原丝热处理，热处理包括预氧化和碳化两步，预氧化的工艺条件为，在空气氛围下以0.5～2℃/min的速率升温至250～300℃，保温1h～2h；碳化的工艺条件为，在惰性气体氛围下以10～20℃/min的速率升温至700～1000℃保温1h～2h，得到木质素基碳纤维产品。本专利技术与现有技术相比具有如下优势：1.木质素含碳量高、含量丰富、来源广泛、价格低廉，是良好的碳纤维前躯体替代品，造纸黑液中含有大量的木质素，目前主要通过碱回收系统将其浓缩燃烧回收热能，未充分发掘木质素的潜在价值。本专利技术利用黑液木质素作为前躯体制造碳纤维，不仅可以降低碳纤维的制造成本，还能解决造纸工业废弃物木质素的高值化利用等问题。2.本专利技术的制备过程安全无毒，绿色环保。提取适合纺丝的木质素使用的是丙酮，与一般提纯所用的吡啶和乙醚相比毒性小，且旋转蒸发后还能回收丙酮进行循环利用，配制前躯体溶液时选择的是无毒的溶剂，成本低、对环境污染小、操作简单。3.由于木质素是三维网状结构，在纺丝过程中易脆易断，所以绝大多数木质素基碳纤维的制备需添加高聚物作为助纺剂来纺丝。本专利技术不添加任何聚合物，利用纯木质素进行纺丝，且所用溶剂无毒，因而制备的碳纤维也是纯生物质的材料，安全环保。附图说明图1是本专利技术制备的木质素基碳纤维的SEM图，平均直径324nm。具体实施方式：本专利技术制备的木质素基碳纤维的SEM图如图1所示。下面根据实例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1一种用于制备木质素基碳纤维的方法，包括以下步骤：1.提取粗木质素：粗木质素来源于造纸制浆黑液，采用酸析沉淀提取黑液木质素，得到粗木质素。2.将粗木质素溶解于溶剂中，得到纯化木质素并配制成特定溶度的纺丝液，具体操作如下：取粗木质素5g，用50mL的丙酮溶解、在5000r/min的离心机中离心20min，取其上清液在30℃下旋转蒸发，所得固体即为提纯后的纯化木质素，将其放入40℃的真空干燥箱中干燥，得到适合纯化木质素，蒸发得到的液体即为丙酮、可回收利用。将纯化木质素溶解于冰乙酸溶液配制成溶质含量为40％的纺丝液。3.采用静电纺丝工艺制备木质素纤维原丝：将步骤2的纺丝液用静电纺丝机进行静电纺丝得到木质素纤维原丝，静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为8cm，喷丝针头为25G，高压静电发生器的电压为16kV，静电纺丝液进料速度为1mL/h。4.热处理后得到木质素基碳纤维产品：将步骤3得到的木质素纤维原丝热处理，热处理包括预氧化和碳化两步。预氧化的工艺条件为，在空气氛围下以0.5℃/min的速率升温至250℃，保温1h。碳化的工艺条件为，在惰性气体氛围下以10℃/min的速率升温至700℃保温1h，得到木质素基碳纤维产品。实施例2一种用于制备木质素基碳纤维的方法，包括以下步骤：1.提取粗木质素：粗木质素来源于造纸制浆黑液，采用酸析沉淀提取黑液木质素，得到粗木质素。2.将粗木质素溶解于溶剂中，得到纯化木质素并配制成特定溶度的纺丝液，具体操作如下：取粗木质素5g，用50mL的甲醇溶解、在5000r/min的离心机中离心20min，取其上清液在30℃下旋转蒸发，所得固体即为提纯后的纯化木质素，将其放入40℃的真空干燥箱中干燥，得到纯化木质素，蒸发得到的液体即为甲醇可回收利用。将纯化木质素溶解于冰乙酸溶液配制成溶质含量为45％的纺丝液。3.采用静电纺丝工艺制备木质素纤维原丝：将步骤2的纺丝液用经典纺丝机进行经典纺丝得到木质素纤维原丝，得到静电纺丝木质素，静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为8cm，喷丝针头为25G，高压静电发生器的电压为18kV，静电纺丝液进料速度为1mL/h。4.热处理后得到木质素基碳纤维产品：将步骤3得到的木质素纤维原丝热处理，热处理包括预氧化和碳化两步。预氧化的工艺条件为，在空气氛围下以0.5℃/min的速率升温至300℃，保温2h。碳化的工艺条件为，在惰性气体氛围下以10℃/min的速率升温至900℃保温2h，得到木质素基碳纤维产品。实施例3一种用于制备木质素基碳纤维的方法，包括以下步骤：1.提取粗木质素：粗木质素来源于造纸制浆黑液，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备木质素基碳纤维的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)提取粗木质素：粗木质素来源于造纸制浆黑液，采用酸析沉淀提取黑液木质素，得到粗木质素；(2)将粗木质素溶解于溶剂中，得到纯化木质素并配制成特定溶度的纺丝液，具体操作如下：取粗木质素5g，加入50mL的丙酮、甲醇或乙酸乙酯，在5000r/min的离心机中离心20min，取其上清液在30℃下旋转蒸发，所得固体即为提纯后的木质素，将其放入40℃的真空干燥箱中干燥，得到纯化木质素，蒸发得到的液体即为丙酮、甲醇或乙酸乙酯可回收利用；将纯化木质素溶解于冰乙酸或甲酸配制成溶质含量为35％～45％的纺丝液；(3)采用静电纺丝工艺制备木质素纤维原丝；将步骤(2)得到的纺丝液进行经典纺丝得到木质素纤维原丝，静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为8～10cm，喷丝针头为25G～28G，高压静电发生器的电压为10kV～18kV，静电纺丝液进料速度为0.5～1mL/h；(4)热处理后得到木质素基碳纤维产品：将步骤(3)得到的木质素纤维原丝热处理，热处理包括预氧化和碳化两步，预氧化的工艺条件为，在空气氛围下以0.5～2℃/min的速率升温至250～300℃，保温1h～2h；碳化的工艺条件为，在惰性气体氛围下以10～20℃/min的速率升温至700～1000℃保温1h～2h，得到木质素基碳纤维产品。...

【技术特征摘要】
1.一种用于制备木质素基碳纤维的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)提取粗木质素：粗木质素来源于造纸制浆黑液，采用酸析沉淀提取黑液木质素，得到粗木质素；(2)将粗木质素溶解于溶剂中，得到纯化木质素并配制成特定溶度的纺丝液，具体操作如下：取粗木质素5g，加入50mL的丙酮、甲醇或乙酸乙酯，在5000r/min的离心机中离心20min，取其上清液在30℃下旋转蒸发，所得固体即为提纯后的木质素，将其放入40℃的真空干燥箱中干燥，得到纯化木质素，蒸发得到的液体即为丙酮、甲醇或乙酸乙酯可回收利用；将纯化木质素溶解于冰乙酸或甲酸配制成溶质含量为35％～45％的纺丝液；(3)采用静电纺丝工艺制...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵斗勇，郭晨艳，陈昌洲，马海茼，罗斌，李明富，张清桐，贾转，万广聪，王双飞，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45