[發明專利]一種木質素/醋酸纖維素基靜電紡絲碳纖維及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201811327706.3
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109853086B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 李堯;周景輝;戴忠;王興;劉歡
• 申請（專利權）人: 大連工業大學
• 主分類號: D01F9/17
• 分類號: D01F9/17;D01F9/16
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李銀姬;李馨

本發明公開了木質素/醋酸纖維素基靜電紡絲碳纖維及其制備方法和應用。在催化劑存在下使用雙官能團的異氰酸酯將木質素和醋酸纖維素進行改性使兩個大分子共聚，即得到含有以醋酸纖維素分子為主鏈，木質素分子為側鏈的大分子結構的紡絲液，通過靜電紡絲制成前驅體纖維，再經預氧化處理和碳化處理制成碳纖維。本發明通過化學改性將木質素和醋酸纖維素連接在一起，提高了紡絲液的均勻性和流動性，通過在制備紡絲液過程中的改性處理，實現了簡單可持續的碳纖維制備。本發明方法制得的碳纖維具有良好的纖維形態、高機械性以及吸附性能，在作為電極、增強材料和吸附劑方面有著良好應用前景，為生產高質量、綠色、低成本的全生物質基碳纖維提供了保證。

技術領域

本發明屬于生物質材料加工技術領域，具體涉及一種木質素/醋酸纖維素基靜電紡絲碳纖維及其制備方法與應用

背景技術

隨著化石能源的日益枯竭及化石資源使用所造成的環境污染問題，以化石能源的行業面臨著的資源短缺的問題，如何更加有效的利用綠色環保可再生的生物質資源去替代化石資源成為亟需解決的問題。

木質素是自然界存在的僅次于纖維素的第二多的天然高分子化合物，具有含碳量高，含有苯環，綠色可再生等優點。目前主要作為紙漿造紙副產物去進行熱能的回收，很少被進一步的加工利用，造成了資源的嚴重浪費，甚至會對環境造成了嚴重的污染。木質素的高值化利用是長久以來的目標，隨著人們對能源危機認識的不斷提高，這一目標變得越為突出。木質素結構復雜，含有苯環、甲氧基、酚經基、梭基和梭甲基等許多官能團和化學鍵，所以具有很強的反應活性，這些基團的存在為木質素進行化學改性、實現綜合利用提供了可能性，且木素中的含碳量高達60％，因此被認為是制備碳材料的合適原料。

十九世紀六十年代，日本人近藤昭男首先發明了用聚丙烯腈纖維制造碳纖維，其后經過幾十年的不斷發展，又相繼出現了以瀝青、黏膠纖維為基體的碳纖維產品。隨著石油基原料聚丙烯腈的日益短缺，開發一種可再生、易降解的新型生物材質碳纖維已成為一種必然的趨勢。制備木素基碳纖維能更好地保護環境，增加木素的潛在價值，具有良好的經濟效益。

發明內容

本發明的目的在于提供一種木質素/醋酸纖維素基碳纖維的制備方法，該方法制備得到的碳纖維以全生物質原料為基材，具有良好的纖維形態、高機械性和高吸附性能，在作為電極和增強材料方面有著很好的應用前景。

本發明的技術方案如下：

一種木質素/醋酸纖維素基靜電紡絲碳纖維的制備方法，通過靜電紡絲方法，將木質素/醋酸纖維素基紡絲液制成碳纖維前驅體，再經預氧化處理和碳化處理制成碳纖維，其中，將木質素和醋酸纖維素在催化劑和雙官能團異氰酸酯的存在下，進行化學改性反應制得所述的木質素/醋酸纖維素基紡絲液。

在上述技術方案中，所述的雙官能團異氰酸酯為異佛爾酮二異氰酸酯、MDI二異氰酸酯、1,4-環己烷二異氰酸酯、TDI甲苯二異氰酸酯、1,5-奈二異氰酸酯、亞甲基二異氰酸酯、甲基-2,4-二異氰酸酯、二聚酸二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯、間苯二甲基二異氰酸酯中的一種或兩種以上。

在上述技術方案中，所述的催化劑為二月桂酸二丁基錫、二丁基氧化錫、辛酸亞錫中的一種。

在上述技術方案中，所述的化學改性反應的反應溫度為60～100℃，反應時間為1～10h。

在上述技術方案中，在所述的化學改性反應中，所述的木質素與醋酸纖維素的加入量為按質量比30:70～70:30，所述的木質素和醋酸纖維素的加入量為反應液質量的10～30％。

在上述技術方案中，在所述的化學改性反應中，所述的雙官能團異氰酸酯加入量為反應液質量的2～20％，優選為5～16％，更優選為8～12％，所述的催化劑的加入量為反應液質量的0.1～5％，優選為0.5～3％，更優選為1～3％。