[发明专利]一种用于制备碳纤维的淀粉基材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维材料领域，具体涉及一种用于制备碳纤维的淀粉基材料及其制备方法。

背景技术

目前，工业化生产碳纤维按原料路线主要可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。但随着碳纤维在更多领域的广泛应用，碳纤维的需求量也在不断增加，而现有碳纤维原材料多为不可再生资源，且制备工艺复杂、耗能大，造成碳纤维的生产成本高，碳纤维的大规模应用也因此受到限制。人们为了降低碳纤维生产成本，使碳纤维可以在更多领域被应用，对碳纤维的原材料和制备工艺技术进行了拓展、改进。

淀粉作为一种天然产物，具有来源丰富，种类多，产量大，含碳量高的特点，是替代聚丙烯腈(PAN)、沥青和粘胶材料用于制备碳纤维的潜在原料之一。但普通淀粉呈颗粒状，具有一定结晶度，在碳化过程中，会发生融熔、流淌、膨胀等现象，从而造成淀粉在碳化后是形成强度很低的多孔碳材料而不是高强度的碳纤维材料，因此，如何使淀粉在碳化时不发生融熔、流淌、膨胀等现象，是淀粉能替代丙烯腈(PAN)、沥青和粘胶材料成为碳纤维原料来制备高强度碳纤维的关键因素。

发明内容

本发明的目的在于克服淀粉在碳化时会发生融熔、流淌、膨胀等现象的缺点，提供一种用于制备碳纤维的淀粉基材料及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种用于制备碳纤维的淀粉基材料，包括以下重量份原材料制备而成：淀粉50-80份、石蜡5-10份、脱水催化剂1-3份、交联剂5-10份、生物酶0.01-0.03份、聚丙烯腈10-20份。

本发明淀粉基材料，是淀粉降解并脱水后的产物与聚丙烯腈在交联剂的作用下交联聚合而成的大分子的复合材料；该淀粉基材料中的含氧基团较淀粉显著降低，且具有无定型结构、无固定熔点的特性，碳化过程中产生的气体量少，不会发生融熔、流淌、膨胀等现象，可用于制备碳纤维。

上述一种木质素基碳纤维母料，其中，所述的交联剂为邻苯二甲酸。

其中，所述的生物酶包括葡萄糖异构酶和淀粉酶；淀粉酶能快速的将淀粉降解为葡萄糖或果糖；葡萄糖异构酶能将葡萄糖异构化为果糖，利于进行脱水形成5-羟甲基糠醛；优选的，所述的生物酶中葡萄糖异构酶和淀粉酶物质的量之比为2︰1；通过合理的将多种生物酶进行配合使用，能加快淀粉的降解和异构化，缩短处理周期，并达到最佳的处理效果。

其中，优选的，所述的聚丙烯腈的分子量为2000-5000；在该分子量范围内，得到的碳纤维性能更好。

其中，所述的脱水催化剂是指能催化果糖脱水形成5-羟甲基糠醛的物质；优选的，所述的脱水催化剂为氯化铁、氯化亚铁、氯化铜或盐酸中的一种或多种。

为了实现上述发明目的，进一步的，本发明还提供了一种用于制备碳纤维的淀粉基材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将淀粉用生物酶进行降解和异构化处理得产物A；

（2）在产物A中加入脱水催化剂进行脱水处理，并分离、干燥得产物B；

（3）将产物B与石蜡、交联剂、聚丙烯腈混合均匀后，进行交联聚合反应得到用于制备碳纤维的淀粉基材料。

本发明用于制备碳纤维的淀粉基材料的制备方法，先通过生物酶对淀粉进行快速降解和异构化处理，获得更容易进行脱水的果糖；再通过脱水催化剂催化果糖脱水，形成5-羟甲基糠醛；最后利用交联剂，与石蜡和聚丙烯腈进行交联聚合反应，得到具有无定型结构、无固定熔点、含氧基团很少的淀粉基材料，且该制备方法简单、快速、可靠，适合用于制备碳纤维的淀粉基材料的大规模、工业化生产。

上述一种用于制备碳纤维的淀粉基材料的制备方法，其中，步骤1中所述降解和异构化处理的温度为20-35℃；在该温度范围内，生物酶的活性最好，对淀粉的降解和异构化效果最好。

其中，步骤2中所述的脱水处理温度为85-120℃，时间为1-5h；该反应温度和时间条件下，淀粉的脱水效果最好。

其中，步骤3中用双螺杆挤出机进行交联聚合反应；所述的双螺杆挤出机中工作区的最高温度设置为320-340℃，最低温度设置为260-290℃；物料在在挤出机中的停留时间控制在60-120s；温度太高，副反应多，不利于原材料的交联聚合反应，温度太低，原材料不熔融，交联反应不彻底。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明淀粉基材料中的含氧基团少，且具有无定型结构、无固定熔点的特性，该材料在碳化过程中产生的气体量少，不会发生融熔、流淌、膨胀等现象，可用于制备碳纤维。