[發明專利]細菌纖維素纖維基納米碳纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201110455150.8
• 申請日: 2011-12-31
• 公開（公告）號: CN103184586A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發明（設計）人: 張迎晨;張夏楠;吳紅艷
• 申請（專利權）人: 中原工學院
• 主分類號: D01F9/16
• 分類號: D01F9/16
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 張紹琳;孫詩雨

技術領域

本專利涉及一種納米碳纖維加工方法，特別是一種細菌纖維素纖維基納米碳纖維的制備加工方法。

技術背景

碳纖維作為新一代復合材料的補強纖維，以其高強度高模量比，低密度，低x光吸收率，抗腐蝕、耐燒蝕、抗疲勞，耐熱沖擊，導電導熱、膨脹系數小和自潤滑等優異性能，與金屬、樹脂、橡膠、玻璃等組成復合材料廣泛應用于從航天、航空、航海等高技術產業到汽車、建筑、輕工等各個領域。高性能碳纖維是高技術復合材料中最重要的增強材料，對國防軍工和國民經濟有著舉足輕重的影響，發展高性能碳纖維的生產技術對發展我國碳纖維工業和高性能復合材料有重要意義。

碳纖維主要由碳元素組成，其碳含量一般高于95％，另外還含有微量的氫(少于l％)。對于聚丙烯腈基碳纖維來說，還含有4—7%的氮。碳纖維的基本結構單元是石墨晶體，其碳原子化學鍵結構與芳烴環的CC原子結構相似，在石墨層平面上由SP²電子雜化軌道形成0-鍵，又由P電子軌道在該平面垂直向上形成π鍵。如此形成的一個個迭臺的碳鍵十分牢固；而相鄰平面層間的C-C原子間則形成較弱的金屬鍵。而石墨晶片則沿纖維軸向上優先取向排列。碳纖維所具有的卓越的高強高模量的力學性能便是由這種基本的結構特征所決定的。盡管在石墨晶片上呈現著優異的高強性能，在其片層之間卻呈現著較低的剪切強度。為消除這種剪切強度不足對碳纖維力學性能的影響，在碳纖維中不再存在石墨片層晶格無限大的完美石墨結構，石墨片層以無限小的聚芳烴結構沿碳纖維軸向優先取向地無序排列，從而使碳纖維呈現著獨特的層堆無序性結構特征。

碳纖維已經經歷了較長的發展歷史。19世紀末期電燈燈絲就是最早利用碳纖維的萌芽。20世紀50年代末期出現了大規模的工業生產碳纖維的情況。1959年，美國聯合碳化物公司（UCC）利用纖維素基材所生產的碳纖維為起始，60年代纖維素基碳纖維發展達到鼎盛時期；同期，日本研發出聚丙烯腈基碳纖維；后來日本公司又以瀝青和木質素為原料制造出通用型碳纖維，在此基礎上開發出很多新品種，如低模量型、中模量型、航空航天級產品等；隨后碳纖維很快在全世界發展起來了。目前，世界碳纖維的主要生產商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團和美國的卓爾泰克（ZOLTEK）、阿克蘇（AKZO）、阿爾迪拉（ALDIL1）和德國的SGL公司等。其中日本三大集團占世界生產能力的75%。世界小絲束型碳纖維總生產能力為22100噸/年；大絲束型碳纖維總生產能力為9550噸/年；其中80%左右是聚丙烯腈基碳纖維。國內碳纖維無論是研究水平還是產業水平都十分低，與國外的差距在20a以上，國內碳纖維生產能力與國內年需求2800~3000t的市場相比相差甚遠，90％以上的碳纖維依賴進口。

納米碳纖維是指具有納米尺度的碳纖維，即纖維直徑小于1000nm。納米碳纖維依其結構可分為納米碳管及納米碳纖維，納米碳管是由管徑只有幾個納米大小的中空管子結構構成，管壁由碳原子組成，其蜂巢狀的碳原子結構近似于石墨，依其結構分為多層及單層石墨卷曲而成的多層納米碳管及單層納米碳管。一般而言，納米碳管的纖維管徑是指小于20nm范圍的中空碳管。納米碳纖維一般是指纖維直徑在50~500nm大小范圍的實心納米碳纖維。納米碳纖維具有高的強度、質輕、導熱性良好及高的導電性等特性。因此，納米碳纖維因其具有優異特性而廣泛被應用于強化復合材料補強材、儲氫材料、鋰離子電池電極及超高電容器電極等高科技產品。

以纖維素纖維為原料的方法、以PAN高分子纖維為原料的方法及以瀝青類為原料的方法，皆是以濕式紡絲或熔融紡絲法紡制纖維再經穩定化、碳化或石墨化的熱處理過程而得。但是利用這種傳統碳纖維的加工過程，其所能制成的纖維直徑一般是在7μm~20μm的大小范圍，無法制備具有納米尺度的納米碳纖維。因此，需要新穎技術來制備納米碳纖維。

發明內容

本發明的目的在于提供一種細菌纖維素纖維基納米碳纖維的制備方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明以由經針刺分梳細化處理細菌纖維素濕膜的超細細菌纖維素纖維為基體原料制備細菌纖維素纖維納米碳纖維。加工方法包括如下步驟：

（1）將漂白處理后的細菌纖維素濕膜置于一對握持羅拉之間或握持羅拉與喂給板之間，按照10?mm~100?m/分鐘的速度喂入；

（2）從羅拉之間輸出的纖維素膜經刺輥表面針刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，將細菌纖維素濕膜變成細菌纖維素纖維；