一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法技术

本发明专利技术公开一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，首先利用乙酰化及接枝改性处理的木质素与聚丙烯腈配置成聚丙烯腈/木质素混合溶液，然后静电纺丝上述混合液制备聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜，最后对制备的纳米纤维膜进行预氧化及碳化处理得到聚丙烯腈/木质素碳纳米纤维。本发明专利技术方法中木质素经过乙酰化及接枝改性处理后，与聚丙烯腈有较好的相容性，提高了聚丙烯腈/木质素混合溶液的可纺性，同时制备的聚丙烯腈/木质素纳米纤维直径达到200nm～350nm，热力学性能也得到提高，预氧化及碳化处理后成功利用聚丙烯腈/木质素制备了结构性能良好的碳纳米纤维。

【技术实现步骤摘要】
一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法
本专利技术涉及碳纳米纤维制备的
，特别涉及一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法。
技术介绍
碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温和耐腐蚀等优良性能，广泛地应用于航天航空、生物医疗、体育器材和汽车零部件等领域，碳纤维的制备及应用也推动着科技经济的发展。纳米级的碳纤维赋予碳纤维较大的孔隙率及比表面积，其应用范围更加广泛。常见的制备碳纳米纤维的工艺主要有拉伸法、自组装法、气相沉积法、模板合成法、静电纺丝法等。其中拉伸法对溶液的粘度有较高的要求，自组装法和气相沉积法的产率不高，模板合成法不能进行连续生产，而静电纺丝法在纺丝工艺参数及纳米纤维尺寸等方面有较好的可控性，在效率及产量方面较其他方法更优越。静电纺丝制备碳纤维的原料常用的有聚丙烯腈(PAN)纤维，随着碳纤维的需求不断增加，作为石油衍生物的PAN消耗越来越大，其成本较高的问题也越来越突出，找到一种低成本材料作为碳纤维制备原料也越来越迫切。木质素来源丰富，含碳量高，可作为碳纤维原料的一种生物基材料，但其分子结构复杂，不易纺丝成型。为合理利用木质素，对木质素进行化学改性及与其他可纺性较好的高分子材料混合电纺将作为利用木质素的有效方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，该方法通过对木质素进行改性，利用静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纤维原丝，提高了木质素的可纺性，不仅简便地制备了较好热力学性能的纤维原丝，而且再对纤维原丝进行预氧化及碳化处理得到结构致密的碳纳米纤维。本专利技术的技术方案为：一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，包括以下步骤：(1)对木质素磺酸盐进行预处理，得到木质素；(2)将步骤(1)所得的木质素先进行乙酸酐乙酰化处理，再进行丙烯腈接枝改性处理；(3)将经过步骤(2)处理的木质素与聚丙烯腈混合，所得混合物溶解在有机溶剂中，配制成溶质质量分数为8～16％的聚丙烯腈/木质素混合溶液；(4)对步骤(3)中配制的聚丙烯腈/木质素混合溶液进行静电纺丝成型，制备聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜；静电纺丝成型时，电压为10～20kv，接收距离为12～20cm，流量推速为0.2～2ml/h；(5)步骤(4)中制备的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜在空气中进行预氧化，预氧化温度为200～280℃，预氧化时间为0.5～2h，预氧化后的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜在氮气保护下升温至700～1000℃碳化2～8h。所述步骤(1)中，木质素磺酸盐的预处理方法为：将木质素磺酸盐在NaOH溶液中加热溶解，过滤去除杂质之后，快速搅拌溶液并滴加浓硫酸，调节溶液的pH值到2～4，离心干燥溶液，得到木质素。所述步骤(2)中，木质素的乙酸酐乙酰化处理方法为：将步骤(1)中得到的木质素溶解在二甲基亚砜中，再加入三乙胺，再缓慢滴加乙酸酐并不断搅拌，常温下反应2～8h，反应产物置于乙醚中沉淀，过滤，再用乙醇洗涤过滤得到的固体，经50～80℃真空烘干，得到乙酰化木质素。所述步骤(2)中，木质素的丙烯腈接枝改性处理方法为：将丙烯腈、偶氮二异丁腈与二甲基亚砜混合，升温至60～90℃，在氮气保护下缓慢搅拌，搅拌时间不超过2h，得到混合溶液；将经过乙酸酐乙酰化处理的木质素与混合溶液混合，再加入CaCl2和H2O2，在氮气保护下搅拌反应14～24h。所述步骤(3)中，木质素与聚丙烯腈(PAN)的质量比为5:5～1:9。所述步骤(3)中，有机溶剂采用二甲基甲酰胺溶液、二甲基亚砜溶液或二甲基甲酰胺/二甲基亚砜混合溶液，有机溶剂的溶质质量分数为8％～16％。所述步骤(4)中，静电纺丝的环境温度为10～30℃，环境湿度为20％～70％。所述步骤(4)中，静电纺丝的针头直径为0.1～1mm。所述步骤(5)的预氧化过程中，对聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜施加同一方向的张力。所述步骤(5)的预氧化过程中，升温速率为5～20℃/min。本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：本静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，利用木质素作为制备碳纳米纤维原料之一，木质素来源丰富且安全无毒，降低了使用成本。本静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，对木质素预先进行了乙酰化和接枝改性处理，提高了木质素与高分子材料的相容性及可纺性。本静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，利用聚丙烯腈和木质素静电混纺制备纳米纤维膜，制备的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜纤维直径较小，可达到200～350nm，其热力学性能较好；本专利技术成功制备了具有较好形貌特征及碳化程度的聚丙烯腈/木质素碳纳米纤维。附图说明图1为通过实施例1方法制备的聚丙烯腈/木质素纳米纤维电镜形貌图。图2为通过实施例2方法制备的聚丙烯腈/木质素碳纳米纤维拉曼光谱图。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1本实施例一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，如图1所示，具体包括以下步骤：(1)取20g木质素磺酸盐溶解于2000ml的0.5mol/L的NaOH溶液中，搅拌至完全溶解，将其中杂质过滤掉，向得到的滤液中缓慢滴加浓硫酸并不断搅拌，调节其pH值至3，加热至85℃搅拌一段时间，冷却后沉淀离心，多次重复离心干燥，最后干燥研磨得到木质素粉末。(2)将2g步骤(1)得到的木质素粉末溶解于40ml的二甲基亚砜(DMSO)中，溶解完成后冷却，然后加入2ml三乙胺(TEA)，再缓慢加入20ml乙酸酐并不断搅拌，常温下反应6h；上述反应产物于乙醚中沉淀，离心，乙醇洗涤，真空60℃烘干，得到乙酰化木质素；将5g丙烯腈(AN)与10mg偶氮二异丁腈(AIBN)加入到装有20ml的二甲基亚砜(DMSO)的三口圆底烧瓶中，缓慢搅拌溶解丙烯腈及偶氮二异丁腈，升温至70℃，在氮气保护下搅拌2h；将溶解于40ml二甲基亚砜的2g乙酰化木质素倒入圆底烧瓶，然后加入2gCacl2及2ml30％的H2O2，在氮气保护搅拌反应24h。(3)将改性后的木质素与聚丙烯腈按质量比3：7混合，溶解分散在5ml二甲基甲酰胺(DMF)中配置成质量分数为12％聚丙烯腈/木质素混合溶液，作为静电纺丝液；采用静电纺丝电压为15kv，静电纺丝接收距离为18cm，静电纺丝流量推速为0.5ml/h的工艺条件对配制的静电纺丝液进行静电纺丝成型，制备聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜。(4)将得到的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜放置于马弗炉中，在空气氛围中以5℃/min升温到250℃保温2小时进行预氧化，然后将预氧化后的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜置于真空管式炉中，在氮气保护下以5℃/min升温至900℃碳化，保温2h，得到聚丙烯腈/木质素碳纳米纤维。实施例2本实施例一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，具体包括以下步骤：(1)取20g木质素磺酸盐溶解于2000ml的0.5mol/L的NaOH溶液中，搅拌至完全溶解，将其中杂质过滤掉，向得到的滤液中缓慢滴加浓硫酸并不断搅拌，调节其pH值至3，加热至85℃搅拌一段时间，冷却后沉淀离心，多次重复离心干燥，最后干燥研磨得到木质素粉末。(2)将2g步骤(1)得到的木质素粉末溶解于40ml的二甲基亚砜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对木质素磺酸盐进行预处理，得到木质素；(2)将步骤(1)所得的木质素先进行乙酸酐乙酰化处理，再进行丙烯腈接枝改性处理；(3)将经过步骤(2)处理的木质素与聚丙烯腈混合，所得混合物溶解在有机溶剂中，配制成溶质质量分数为8～16％的聚丙烯腈/木质素混合溶液；(4)对步骤(3)中配制的聚丙烯腈/木质素混合溶液进行静电纺丝成型，制备聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜；静电纺丝成型时，电压为10～20kv，接收距离为12～20cm，流量推速为0.2～2ml/h；(5)步骤(4)中制备的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜在空气中进行预氧化，预氧化温度为200～280℃，预氧化时间为0.5～2h，预氧化后的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜在氮气保护下升温至700～1000℃碳化2～8h。

【技术特征摘要】
1.一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对木质素磺酸盐进行预处理，得到木质素；(2)将步骤(1)所得的木质素先进行乙酸酐乙酰化处理，再进行丙烯腈接枝改性处理；(3)将经过步骤(2)处理的木质素与聚丙烯腈混合，所得混合物溶解在有机溶剂中，配制成溶质质量分数为8～16％的聚丙烯腈/木质素混合溶液；(4)对步骤(3)中配制的聚丙烯腈/木质素混合溶液进行静电纺丝成型，制备聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜；静电纺丝成型时，电压为10～20kv，接收距离为12～20cm，流量推速为0.2～2ml/h；(5)步骤(4)中制备的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜在空气中进行预氧化，预氧化温度为200～280℃，预氧化时间为0.5～2h，预氧化后的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜在氮气保护下升温至700～1000℃碳化2～8h。2.根据权利要求1所述一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，木质素磺酸盐的预处理方法为：将木质素磺酸盐在NaOH溶液中加热溶解，过滤去除杂质之后，快速搅拌溶液并滴加浓硫酸，调节溶液的pH值到2～4，离心干燥溶液，得到木质素。3.根据权利要求1所述一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，木质素的乙酸酐乙酰化处理方法为：将步骤(1)中得到的木质素溶解在二甲基亚砜中，再加入三乙胺，再缓慢滴加乙酸酐并不断搅拌，常温下反应2～8h，反应产物置于乙醚中沉淀，过滤，再用乙醇洗涤过滤得到的固体，经50～80℃真空烘干，得到乙酰化木质...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭响方，王霞，况太荣，陈斌艺，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44