[發明專利]離子基碳纖維

無效

• 申請號: 200910138339.7
• 申請日: 2009-04-24
• 公開（公告）號: CN101871140A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 李桂云
• 申請（專利權）人: 李桂云
• 主分類號: D01F9/17
• 分類號: D01F9/17
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是利用離子液體溶解纖維素制成纖維絲，纖維絲在保護氣保護下炭化成碳纖維的工藝。碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90％以上，它是利用各種有機纖維在惰性氣體中，高溫狀態下炭化而制得，碳纖維具有十份優異的力學性能，是目前已大量生產的高性能纖維中具有最高比強度和最高比模量的纖維。碳纖維既有炭材料的固有特性，又兼有紡織纖維的柔軟可加工性，是先進復合材料最重要的增強材料。

技術背景：

目前，世界碳纖維材料的主要原料依賴聚丙烯腈(PAN)和石油精制殘渣瀝青以及煤焦油。但是，隨著人們環保意識的增強以及化石資源的逐漸枯竭，碳纖維的供給與需求日趨緊張，為緩解原料短缺而造成碳纖維價格上漲，研究和發展利用木材中的纖維素替代化石資源制備碳纖維意義重大。

發明內容：

纖維素基碳纖維主要是通過化學分離出木質材料中的主要成分纖維素，然后再對其進行溶液或熔融紡絲，將得到的纖維絲熱處理后炭化成碳纖維。根據紡絲后得到的纖維類型，目前，纖維基碳纖維可以分為黏膠基碳纖維和LYOCELL基碳纖維兩種，我的發明是第三種，利用離子液體融解纖維素，在水中拉成纖維絲，干燥后熱處理炭化成碳纖維。

纖維素是高等植物中最主要的結構材料，是自然界中最豐富的天然有機物，根據科學家的估計，地球上每年通過生物合成可再生纖維素達1000億噸以上。隨著全球環境污染問題日益加劇以及以石油為代表的非再生資源急劇消耗，利用以纖維素和其他天然高分子為代表的可再生資源，成為人類尋求可持續發展道路上的一個指路標。曾經一度被冷落的纖維素研究，之所以再度成為高分子材料領域的一個研究熱點，是因為它與合成高分子相比具有自然界中儲量和年產量巨大，易降解無污染，易于改性等很多優勢。纖維素材料目前已經被廣泛用于紡織、造紙、食品、醫藥和建筑等很多領域，在未來它可能在更多的領域中扮演更重要的角色，甚至成為全世界化學和化工的主要原料。

離子液體就是在室溫(或稍高于室溫的溫度)下呈液態的離子體系，或者說，離子液體是僅由離子所組成的液體，離子液體通常是有機鹽，屬于有機物，可以當作有機溶劑使用。離子液體與傳統的有機溶劑、水、超臨界流體等相比具有許多優良的性能：(1)有良好的溶解性能；(2)具有較高的離子傳導性；(3)較高的熱穩定性；(4)較寬的液態溫度范圍；(5)較高的極性，溶劑化性能；(6)幾乎不揮發，不氧化，不燃燒；(7)黏度低，熱容大；(8)對水、對空氣均穩定；(9)易回收，可循環使用；(10)設備簡單，制造容易。

要制作碳纖維第一步要把木材中的纖維素制作成纖維絲，為了避免提取纖維素過程，我直接使用了木漿粕(DP)，把木漿粕纖維素剪成碎片，在70℃真空烘箱中干燥3個小時，把特定質量的干燥木漿粕纖維素和適量[C₄MIM]CL離子液體置于100ml燒杯中，在水浴中加熱到100℃，同時機械攪拌直至纖維素完全溶解再加熱一段時間使溶解的總時間為1小時，燒杯中的物質變成了類似漿糊狀的產物，用5ml的注射器，去掉注射針吸入漿糊狀產物，然后又裝上注射針，準備100ml蒸溜水，把注射器中的漿糊狀產物注入蒸溜水中產生了一條凝膠狀線條，除去殘留的離子液體，然后把它在真空烘箱中60℃下干燥8小時，即得一條離子纖維線。

把纖維線在＜300℃低溫熱處理，再進行洗滌，再用真空烘箱干燥，在＞800℃高溫熱處理(惰性氣體保護)后即得離子基碳纖維。

步驟：把纖維線100g放在喂絲整經架上的輥子上，經過傳動輥，進入小型的外熱式預氧化爐中，經過小型預氧化爐處理后，又到收絲機上形成一個預氧絲輥，再經過洗滌、干燥預氧絲輥上的預氧絲又經過牽伸機構進入小型的低溫碳化爐中，在保護氣體作用下發生碳化轉化后又經過牽伸機構牽伸，最后到達收絲機(圖1)。

預氧化爐大體分為3個板塊，一是加熱系統，二是送風和排風系統，三是牽伸系統。三者有效組合，構成了一個完整的預氧化爐(圖2)是外熱式預氧化爐結構示意圖。

1、加熱系統

預氧化溫度范圍大至在200℃-300℃，并要求形成溫度梯度，由低溫到高溫，逐步氧化。要求內爐膛的橫向溫控精度達到±2℃，縱向的恒溫區應為總爐長的90％以上，充分利用內爐膛的有效空間，并使在爐膛內運行的絲束處于同一溫度場，可制得氧化程度基本一樣的均勻預氧絲。

氧向纖維的擴散速率與氧化溫度有關。擴散系數為：