一種木質碳纖維原絲以及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種木質碳纖維原絲以及其制備方法，該制備方法包括以下步驟:在木粉中加入苯酚，以磷酸為催化劑進行液化處理，得到木粉液化物；將木粉液化物與合成劑混合后，加入液化物紡絲機中，經過熔融紡絲，制成初始纖維；將初始纖維進行固化處理，得到木質碳纖維原絲。
【專利說明】一種木質碳纖維原絲以及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及化學纖維領域，具體地，涉及一種木質碳纖維原絲，以及利用木粉液化物經紡制、固化處理制備該碳纖維原絲的方法。
【背景技術】
[0002]碳纖維是一種具有高比模量和高比強度的優(yōu)質材料，既有碳材料的固有特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，在軍事和民用工業(yè)的各個領域都得到了廣泛的利用。碳纖維的性能在很大程度上決定于原絲的質量，而碳纖維的原絲的性能優(yōu)劣又取決于原材料的選擇及其相應的處理工藝條件。
[0003]原料方面，傳統(tǒng)的碳纖維通常以化石資源為原料，不僅資源日趨枯竭，而且嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。而本發(fā)明采用杉木采伐剩余物作為原料，資源豐富易得，環(huán)境性好，利用其制備木質碳纖維，既可以降低碳纖維的生產成本，也有利于促進木材的高效利用。
[0004]處理工藝方面，制備木質碳纖維的工藝隨著木材液化技術的出現(xiàn)而日漸發(fā)展起來:利用木材在酸性條件下的液化產物，在熔融狀態(tài)下紡制成纖絲，纖絲經過固化處理后即得碳纖維。但是處理工藝的各項技術條件還有很大的進步空間。
[0005]例如現(xiàn)有技術中，在進行木材的苯酚液化時，需要采用酸性催化劑，選擇硫酸等強酸，引起的副反應較少，液化效果相對較好，但是其強腐蝕性、氧化性，對設備的耐腐蝕性和操作的安全性有較高的要求，而選擇磷酸等中強酸，副反應可能增多，液化效果不及硫酸；又如，紡制初始纖維的過程中，合成紡絲液后直接進行紡絲，由于溫度過高，成絲困難，影響原絲質量；再如，固化處理過程中，反應溫度較高時，交聯(lián)反應進行的比較完全，制得的原絲力學性能較好，但是原絲表面會出現(xiàn)一些顆粒狀的附著物，影響其吸附性能。

【發(fā)明內容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明一方面提供一種木質碳纖維原絲，另一方面提供一種制備該木質碳纖維原絲的方法。
[0007]本發(fā)明所述的木質碳纖維原絲的制備方法，包括以下步驟:
[0008]I)在木粉中加入苯酚，以磷酸為催化劑進行液化處理，得到木粉液化物；
[0009]2)將木粉液化物與合成劑混合后，加入液化物紡絲機中，經過熔融、紡絲，制成初始纖維；
[0010]3)將初始纖維進行固化處理，得到木質碳纖維原絲。
[0011]其中，步驟I)包括:將木粉、苯酚、磷酸混合，攪拌均勻，置于液化裝置中，進行液化處理，得到木粉液化物。
[0012]特別是,所述木粉為杉木(Cunninghamia Lanceolata)木粉,是將杉木采伐剩余物經過植物粉碎機粉碎烘干得到的粉末，其細度為85?100目。
[0013]特別是，所述苯酚的用量為木粉重量的6?8倍，磷酸的用量為苯酚重量的
9.5%?11.5%，優(yōu)選10%，磷酸的質量分數(shù)為80%?85%。[0014]特別是，液化處理的溫度為165°C?175°C，時間為2h?3h。
[0015]其中，步驟2)包括:將木粉液化物與合成劑混合制成紡絲液，置于液化物紡絲機中，經過熔融紡絲，制成初始纖維；
[0016]特別是，所述合成劑為六次甲基四胺，其用量為木粉液化物重量的5%?6%。
[0017]特別是，熔融的條件為:將木粉液化物與合成劑混合，以130°C /h?140°C /h的升溫速率從35°C勻速加熱到合成溫度160°C?170°C，保溫反應15min?20min。
[0018]特別是，紡絲的條件為:在105°C?110°C溫度下進行紡絲，噴絲孔徑Imm (單孔)，收絲輥轉速為150?200r/min，噴絲孔到收絲輥距離為80mm。
[0019]其中，步驟3)包括:將初始纖維浸入鹽酸、甲醛和蒸餾水的混合溶液中，置于固化裝置中，進行固化處理，在室溫下經蒸餾水清洗5?10分鐘，得到木質碳纖維原絲。
[0020]對初始纖維進行固化處理是為了改善初始纖維的性能，使制得的原絲更利于后續(xù)活化或碳化等處理。固化處理后，在室溫下進行清洗的目的是除去固化過程中未反應的吸附在木質碳纖維原絲表面的固化劑，以達到最佳的原絲表面形態(tài)。
[0021]特別是，混合溶液的用量為鹽酸:甲醛:蒸餾水=30:37:7
[0022]特別是，固化處理的條件為:將初始纖維浸入混合溶液中，以10°C /h的升溫速率從35°C勻速加熱到75°C?79°C，保溫反應2h?2.5h。
[0023]特別是，鹽酸的質量分數(shù)為38?40%，甲醛的質量分數(shù)為18?19%。
[0024]本發(fā)明所制備的木質碳纖維原絲及其制備方法，具有以下優(yōu)點:
[0025]1.本發(fā)明方法在木粉液化物的制備過程中，出于設備腐蝕和操作安全的考慮，選擇磷酸作為催化劑，并從增加用量的角度，彌補其酸性的不足。相應的，苯酚的用量也高于現(xiàn)有技術，反應條件也要相對強烈，在此條件下進行液化處理，反應充分，液化質量好。其液化率高于86%，殘渣率低于14%。
[0026]2.本發(fā)明方法在紡制初始纖維的過程中，熔融和紡絲的操作均在紡絲機中進行，不需進行紡絲液的轉移，操作簡單安全。另外，熔融的紡絲液并不是直接進行紡絲，而是將其溫度降至105°C?110°C之間，在此條件下紡制初始纖維，成絲效率高，成絲質量好。
[0027]3.本發(fā)明方法在固化處理的過程中，嚴格控制溫度和時間，制得的原絲拉伸強度顯著提高，達到339Mpa以上，拉伸模量穩(wěn)定在27?42GPa之間，其表面形態(tài)更為光滑、潔凈，內部交聯(lián)反應更充分，結構更致密，熱穩(wěn)定性得到改善，即使溫度達到900°C時，失重率僅為50?60%ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]附圖1為實施例2所制備原絲的FE-SEM圖像。
【具體實施方式】
[0029]下面結合實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例的內容是結合優(yōu)選技術方案對本發(fā)明所做的進一步詳細說明，不能認定發(fā)明的具體實施僅限于這些說明。對本發(fā)明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明的構思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為本發(fā)明的保護范圍。
[0030]實施例1[0031]1.制備木粉液化物
[0032]將杉木采伐剩余物經過植物粉碎機粉碎烘干成細度為90目的粉末，取15g該木粉，加入105g苯酚，10.5g磷酸(即苯酚質量的10%，其質量分數(shù)為82%)，攪拌均勻后，置于油浴型液化裝置中，進行液化處理，抽濾后得到的液體，為木粉液化物。其中，液化處理的溫度為170°C，時間為2.5h,。
[0033]2.紡制初始纖維
[0034]將6g木粉液化物與0.33g六次甲基四胺混合后，以135°C /h的升溫速率從35°C勻速加熱到合成溫度165°C，保溫反應18min，制成紡絲液，置于紡絲機中。經過反復的升降溫過程，使紡絲溫度穩(wěn)定在108°C開始進行紡絲，制成初始纖維。其中，噴絲孔徑Imm (單孔)，收絲輥轉速為180r/min，噴絲孔到收絲輥距離為80mm。
[0035]3.制備木質碳纖維原絲
[0036]將制成的初始纖維浸入鹽酸(濃度為39%，300ml)、甲醛(濃度為18.5%，370ml)和蒸餾水(70ml)的混合溶液中，置于固化裝置中，進行固化處理，設定固化的起始溫度為350C，升溫速度為10°C /h,升溫至78°C，保溫2h，在室溫下經蒸餾水清洗8分鐘得到木質碳纖維原絲。
[0037]實施例2
[0038]1.制備木粉液化物
[0039]將杉木采伐剩余物經過植物粉碎機粉碎烘干成細度為85目的粉末，取15g該木粉，加入90g苯酚，8.55g磷酸(即苯酚質量的9.5%，其質量分數(shù)為80%)，攪拌均勻后，置于油浴型液化裝置中，進行液化處理，抽濾后得到的液體，為木粉液化物。其中，液化處理的溫度為165°C，時間為2h。
[0040]2.紡制初始纖維
[0041]將6g木粉液化物與0.300g六次甲基四胺混合后，以130°C /h的升溫速率從30°C勻速加熱到合成溫度160°C，保溫反應15min，制成紡絲液，置于紡絲機中，經過反復的升降溫過程，使紡絲溫度穩(wěn)定在105°C開始進行紡絲，制成初始纖維。其紡絲工藝設備條件，除收絲棍轉速為150r/min外,其余與實施例1相同。
[0042]3.制備木質碳纖維原絲
[0043]將制成的初始纖維浸入鹽酸(濃度為38%，300ml)、甲醛(濃度為18%，370ml)和蒸餾水(30ml)的混合溶液中，置于固化裝置中，進行固化處理，設定固化的起始溫度為35°C，升溫速度為10°C /h，升溫至75°C，保溫2.5h，在室溫下經蒸餾水清洗5分鐘得到木質碳纖維原絲。
[0044]所制備原絲的FE-SEM圖像如附圖1所示，其表面形態(tài)光滑、潔凈。
[0045]實施例3
[0046]1.制備木粉液化物
[0047]將杉木采伐剩余物經過植物粉碎機粉碎烘干成細度為100目的粉末，取15g該木粉，加入120g苯酚，13.8g磷酸(即苯酚質量的11.5%，其質量分數(shù)為85%)，攪拌均勻后，置于油浴型液化裝置中，進行液化處理，抽濾后得到的液體，為木粉液化物。其中，液化處理的溫度為175°C，時間為3h。
[0048]2.紡制初始纖維[0049]將6g木粉液化物與0.360g六次甲基四胺混合后，以140°C /h的升溫速率從35°C勻速加熱到合成溫度170°C，保溫反應20min，制成紡絲液，置于紡絲機中，經過反復的升降溫過程，使紡絲溫度穩(wěn)定在110°C開始進行紡絲，制成初始纖維。其紡絲工藝設備條件，除收絲輥轉速為200r/min外，其余與實施例1相同。
[0050]3.制備木質碳纖維原絲
[0051]將制成的初始纖維浸入鹽酸(濃度為40%，300ml)、甲醛(濃度為19%，370ml)和蒸餾水(70ml)的混合溶液中，置于固化裝置中，進行固化處理，設定固化的起始溫度為35°C，升溫速度為10°C /h，升溫至79°C，保溫2h，在室溫下經蒸餾水清洗10分鐘，得到木質碳纖維原絲。
[0052]對照例I
[0053]取20g經過研磨的杉木木粉，木粉細度為80目，加入80g苯酚，8g磷酸，在液化裝置中進行液化處理，液化處理的溫度為160°C,液化時間2.5h,抽濾得到的液體為木粉液化物。
[0054]將5g木粉液化物與0.250~0.300g六次甲基四胺(木粉液化物質量分數(shù)的5~6%)混合放入紡絲機，從室溫經過60min加熱到合成溫度150°C,保溫反應15min ;經過40min降溫到75°C，再以15°C /IOmin勻速升溫到95°C~105°C，然后穩(wěn)定在該溫度區(qū)域，進行熔融紡絲，制成初始纖維。
[0055]將制成的初始纖維浸入鹽酸(濃度為38%，300ml)、甲醛(濃度為18.5%，370ml)和蒸餾水(30ml)的混合溶液中，在固化裝置中進行固化處理，設定固化的起始溫度為25°C，升溫速度為15°C /h，升溫4h，保溫3h (固化結束溫度為85°C)，得到木質碳纖維原絲。
[0056]試驗例I液化效果
[0057]實驗例1、2、3和對照例I液化、抽濾后得到木粉液化物和殘渣。將殘渣放入溫度為105°C烘箱中烘干至恒重。
[0058]液化率和殘渣率的計算方法如下:
[0059]液化率/%=1 —(殘渣質量/杉木木粉質量)X 100%
[0060]殘渣率=1-液化率
[0061]表1不同原絲的液化效果
[0062]
【權利要求】
1.一種木質碳纖維原絲的制備方法，包括以下步驟: 1)在木粉中加入苯酚，以磷酸為催化劑進行液化處理，得到木粉液化物； 2)將木粉液化物與合成劑混合后，加入液化物紡絲機中，經過熔融、紡絲，制成初始纖維； 3)將初始纖維進行固化處理，得到木質碳纖維原絲。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)中，所述木粉為杉木采伐剩余物經粉碎烘干得到的粉末，其細度為85?100目。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)中，苯酚的用量為木粉重量的6?8倍，磷酸的用量為苯酚重量的9.5%?11.5%，磷酸的質量分數(shù)為80%?85%。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)中，液化處理的溫度為165°C?175°C，時間為2h?3h。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中，所述合成劑是六次甲基四胺，其用量為木粉液化物重量的5%?6%。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中，熔融的條件為:將木粉液化物與合成劑混合，以130°C /h?140°C /h的升溫速率從30°C勻速加熱到合成溫度160°C?170°C,保溫反應 15min ?20min。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中，紡絲的條件為:在105°C?110°C溫度下進行紡絲，噴絲孔徑Imm (單孔),收絲棍轉速為150?200r/min,噴絲孔到收絲棍距離為80mm。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中，固化處理的條件為:將初始纖維浸入鹽酸、甲醛和蒸餾水的混合溶液中，以10°C/h的升溫速率從30°C勻速加熱到75°C?79 °C，保溫反應2h?2.5h。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，鹽酸的質量分數(shù)為38?40%，甲醛的質量分數(shù)為18?19%。
10.一種木質碳纖維原絲，通過權利要求1?9任一項所述方法制備得到。
【文檔編號】D01D5/08GK103469368SQ201310404037
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】李美平, 張玥, 黃思琪, 馬爾妮 申請人:北京林業(yè)大學