木质素基碳纤维前驱体、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及木质素基碳纤维前驱体及其制备方法，所述木质素基碳纤维前驱体是通过将木粉与苯酚混合，在酸性催化剂存在下进行液化，然后向所得木材液化物中加入表面活性剂和稳定剂，搅拌后所得产物经抽滤、烘干，即得。本发明专利技术基于木材全组分的液化利用，有效地解决了因木材成分复杂造成的对于木质碳纤维性能的负面影响，制备出高木质素含量的碳纤维前驱体；避免了在熔融纺丝过程中需加入六次甲基四胺作为固化剂，在纺丝过程中产生的氨气形成孔隙，对碳纤维的构造和性能产生影响，并减少了固化过程中盐酸和甲醛的大量使用而引起生产过程中有害气体对人体的损害及对环境的污染。

【技术实现步骤摘要】
木质素基碳纤维前驱体、其制备方法及应用
本专利技术涉及木材液化技术，具体地说，涉及一种木质素基碳纤维前驱体、其制备方法及应用。
技术介绍
木材液化技术始于1925年，是在某些有机物如苯酚或多羟基醇的存在下，将木材转化为类似液体的粘稠状流体的热化学过程，其产物可用于制造胶粘剂、聚氨酯泡沫塑料、纤维和碳纤维等新的高分子物质，尤其是具有生物降解性能的高分子物质，大大扩展了木材资源的利用和回收领域，具有越来越广阔的应用前景。苯酚液化木材中含有大量的酚化物和少量未反应的苯酚，只要加入甲醛或六次甲基四胺等就可以生成线型酚醛树脂(Novolak)。由于酚醛在熔融状态具有一定的拉丝性，可用于纺制酚醛纤维，因此木材苯酚液化产物生成的线型酚醛树脂完全可以用于制备纺丝液。通过木材液化技术制得制备碳纤维所需的纺丝液这项技术虽然达到了扩展木材资源的利用和回收领域的目的，但由于液化技术中，木材三大素(纤维素、半纤维素、木质素)的存在导致纺丝液成分复杂，性能不稳定。另外，在熔融纺丝过程中，纺丝液中需加入六次甲基四胺作为固化剂，否则木材液化物纺丝液并不能成丝，而六次甲基四胺的加入会在熔融纺丝过程中产生氨气副产物，从而造成初始纤维的孔隙增多，降低了纤维的力学性能。此外，固化工艺过程中，熔融纺制的初始纤维需要在较高浓度的盐酸和甲醛中高温固化，该过程会产生有毒气体，对设备腐蚀程度较大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种木质素基碳纤维前驱体及其制备方法。本专利技术的另一目的是提供所述木质素基碳纤维前驱体的应用。为了实现本专利技术目的，本专利技术提供的制备木质素基碳纤维前驱体的方法，包括以下步骤：1)将木材粉碎后得到木粉，将木粉烘干后与苯酚混合，在酸性催化剂存在下进行液化，得到木材液化物；2)木材液化物经抽滤后，与水按1:1-100的重量比混合，调混合液pH值2-10，然后按混合液重量1-20％加入表面活性剂，再按混合液重量1-30％加入稳定剂，在25-90℃下搅拌1-10h，所得产物经抽滤、烘干，即得木质素基碳纤维前驱体。其中，步骤2)中使用的表面活性剂为聚乙二醇PEG400、PEG600、PEG800或PEG1000，稳定剂为十二烷基磺酸盐。优选地，表面活性剂为PEG400，稳定剂为十二烷基磺酸钠。前述的方法，步骤1)具体为：将木材粉碎后得到木粉，将木粉烘干后与苯酚按照重量比1:4混合，然后按苯酚重量8-12％加入酸性催化剂，在160℃下搅拌液化2.5h，得到木材液化物。前述的方法，步骤1)中木材包括针叶材、阔叶材等各种植物来源的木材。前述的方法，步骤1)中木材粉碎后得到的木粉为20-100目，烘干的温度为103±2℃。前述的方法，步骤1)中使用的酸性催化剂为浓度85％的磷酸。前述的方法，步骤1)中搅拌的速度为200-600rpm。前述的方法，步骤2)中使用布氏漏斗进行抽滤。前述的方法，步骤2)中搅拌的速度为100-1000rpm，烘干的温度为45-80℃。本专利技术还提供根据前述方法制备的木质素基碳纤维前驱体。本专利技术进一步提供所述木质素基碳纤维前驱体在熔融纺丝工艺生产中的应用。所述应用具体为：将木质素基碳纤维前驱体研磨成粉末，置于纺丝管内，设定熔融纺丝温度190-210℃，待木质素基碳纤维前驱体完全熔融后，设定纺丝辊转速100-300rpm，进行纺丝。本专利技术具有以下优点：(一)采用本专利技术方法制备的木质素基碳纤维前驱体，其中木质素含量在70％以上，产率可达28.5％，灰分含量最低为0.36％。(二)在190-210℃下，木质素基碳纤维前驱体粘度值适宜于熔融纺丝，粘度值稳定。(三)熔融纺丝过程中，无需添加固化剂，如六次甲基四胺等，减少了废气的排放，并且降低了氨气对于初始纤维构造的负面影响。(四)减少固化过程中大量使用的盐酸和甲醛，避免生产过程中有害气体对于人体的损害以及对环境的污染。附图说明图1为本专利技术实施例4中利用实施例1-3制备的木质素基碳纤维前驱体进行熔融纺丝的工艺流程图。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。实施例1木质素基碳纤维前驱体的制备制备木质素基碳纤维前驱体的方法如下：1、将木材刨花用植物粉碎机加工成80目的木粉，使用前置于103℃的干燥箱烘干待用。2、将木粉和苯酚(木粉和苯酚的重量比为1:4)混合，加入到三口烧瓶中，然后按苯酚重量10％加入磷酸(磷酸的浓度85％)置于设定温度为160℃的油浴锅中，安装好冷凝器，开动搅拌装置(搅拌速度为500rpm)进行液化反应，反应2.5h后，撤去油浴，将木材液化物倒入布氏漏斗抽滤，待用。3、向反应釜中加入木材液化物和水(液化物和水重量比为1:80)，调整溶液pH值为7，然后加入溶液重量10％的表面活性剂PEG600，再加入溶液重量20％的稳定剂十二烷基磺酸钠，开动搅拌装置(搅拌速度为800rpm)，温度设定为80℃，搅拌时间8小时，将产物用布氏漏斗抽滤、80℃烘干，即得木质素基碳纤维前驱体，其中木质素含量在80％以上，产率为25.9％，灰分含量为0.43％。本实施例中制备的木质素基碳纤维前驱体在190-210℃下，粘度值适宜于熔融纺丝，粘度值稳定。实施例2木质素基碳纤维前驱体的制备制备木质素基碳纤维前驱体的方法如下：1、将木材刨花用植物粉碎机加工成20目的木粉，使用前置于101℃的干燥箱烘干待用。2、将木粉和苯酚(木粉和苯酚的重量比为1:4)混合，加入到三口烧瓶中，然后按苯酚重量8％加入磷酸(磷酸的浓度85％)置于设定温度为160℃的油浴锅中，安装好冷凝器，开动搅拌装置(搅拌速度为200rpm)进行液化反应，反应2.5h后，撤去油浴，将木材液化物倒入布氏漏斗抽滤，待用。3、向反应釜中加入木材液化物和水(液化物和水重量比为1:1)，调整溶液pH值为2，然后加入溶液重量1％的表面活性剂PEG400，再加入溶液重量1％的稳定剂十二烷基磺酸钠，开动搅拌装置(搅拌速度为100rpm)，温度设定为25℃，搅拌时间8小时，将产物用布氏漏斗抽滤、45℃烘干，即得木质素基碳纤维前驱体，其中木质素含量在70％以上，产率为28.5％，灰分含量为0.36％。本实施例中制备的木质素基碳纤维前驱体在190-210℃下，粘度值适宜于熔融纺丝，粘度值稳定。实施例3木质素基碳纤维前驱体的制备制备木质素基碳纤维前驱体的方法如下：1、将木材刨花用植物粉碎机加工成100目的木粉，使用前置于105℃的干燥箱烘干待用。2、将木粉和苯酚(木粉和苯酚的重量比为1:4)混合，加入到三口烧瓶中，然后按苯酚重量12％加入磷酸(磷酸的浓度85％)置于设定温度为160℃的油浴锅中，安装好冷凝器，开动搅拌装置(搅拌速度为600rpm)进行液化反应，反应2.5h后，撤去油浴，将木材液化物倒入布氏漏斗抽滤，待用。3、向反应釜中加入木材液化物和水(液化物和水重量比为1:100)，调整溶液pH值为10，然后加入溶液重量20％的表面活性剂PEG1000，再加入溶液重量30％的稳定剂十二烷基磺酸钠，开动搅拌装置(搅拌速度为1000rpm)，温度设定为90℃，搅拌时间10小时，将产物用布氏漏斗抽滤、65℃烘干，即得木质素基碳纤维前驱体，其中木质素含量本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备木质素基碳纤维前驱体的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将木材粉碎后得到木粉，将木粉烘干后与苯酚混合，在酸性催化剂存在下进行液化，得到木材液化物；2)木材液化物经抽滤后，与水按1:1‑100的重量比混合，调混合液pH值2‑10，然后按混合液重量1‑20％加入表面活性剂，再按混合液重量1‑30％加入稳定剂，在25‑90℃下搅拌1‑10h，所得产物经抽滤、烘干，即得木质素基碳纤维前驱体；其中，步骤2)中使用的表面活性剂为PEG400、PEG600、PEG800或PEG1000，稳定剂为十二烷基磺酸盐。

【技术特征摘要】
1.制备木质素基碳纤维前驱体的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将木材粉碎后得到木粉，将木粉烘干后与苯酚混合，在酸性催化剂存在下进行液化，得到木材液化物；2)木材液化物经抽滤后，与水按1:1-100的重量比混合，调混合液pH值2-10，然后按混合液重量1-20％加入表面活性剂，再按混合液重量1-30％加入稳定剂，在25-90℃下搅拌1-10h，所得产物经抽滤、烘干，即得木质素基碳纤维前驱体；其中，步骤2)中使用的表面活性剂为PEG400、PEG600、PEG800或PEG1000，稳定剂为十二烷基磺酸盐；步骤1)具体为：将木材粉碎后得到木粉，将木粉烘干后与苯酚按照重量比1:4混合，然后按苯酚重量8-12％加入酸性催化剂，在160℃下搅拌液化2.5h，得到木材液化物；所述酸性催化剂为浓度85％的磷酸。2.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵广杰，商俊博，林剑，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11