[发明专利]一种利用水稻秸秆制备自分离的超细氮化硅纤维的方法

说明书

本发明涉及一种利用水稻秸秆制备自分离的超细氮化硅纤维的方法，该方法以农业废弃资源水稻秸秆为原料，通过碳热还原和氮化法，从而获得超细氮化硅纤维，纤维为α‑Si₃N₄晶体结构。所制备的氮化硅纤维直径为200‑2000nm，长度可达数厘米，且具有表面光滑、易于分离等优点，是一种理想的结构和功能陶瓷纤维。同时，本发明能够充分利用水稻秸秆中的无机硅源，与现有利用生物质能源有机成分制备气、液等能源产品技术相互补，便于工业化推广，实现水稻秸秆的充分利用。

技术领域

本发明属于新型无机非金属材料制备技术领域，涉及一种利用水稻秸秆制备自分离的超细氮化硅纤维的方法。

背景技术

水稻秸秆作为生物质能源，是一种非常有价值的可再生能源，在一些特定领域非常具有竞争力。近些年来，一些国家正在致力于通过热化学法、生物化学法将其有机成分转换为气、液等能源产品实现资源化利用。同时，水稻秸秆中还存在一些诸如二氧化硅(SiO₂)之类的无机成分存在，可作为一种廉价的硅原料，但目前还没有被商业利用。研究发现水稻秸秆化学成分为纤维素(38.3％)、半纤维素(31.6％)、木素(11.8％)和灰分(18.3％)，其中二氧化硅在灰分中的含量为77％[Technol.14(1980)29]。常见的粮食作物中，水稻秸秆灰分含量远高于其他作物(棉花秸秆为9.47％，小麦秸秆为6.04％，玉米秸秆为4.66％)[新型建筑材料,1996,(6):8-12]，非常具有研究价值和商业价值。

近年来，回收利用工农业废弃物中天然二氧化硅代替传统的二氧化硅和碳粉原材料来制备氮化硅粉末渐渐得到了重视，比如稻壳的利用，既经济又环保。但是，目前大部分研究工作只注重氮化硅粉末的制备，并且很难将氮化硅粉末产品从残余的碳原料中分离。

本发明公开了利用水稻秸秆制备自分离的超细氮化硅纤维的方法。该方法制备的氮化硅纤维具有超高长径比、表面光滑、易于分离等优点。

发明内容

本发明目的在于，提供一种利用水稻秸秆制备自分离的超细氮化硅纤维的方法，该方法以农业废弃资源水稻秸秆为原料，通过碳热还原、氮气直接氮化制备具有表面光滑、超高长径比、易分离的超细氮化硅纤维。该方法不仅解决了传统水稻秸秆就地焚烧的资源浪费和环境污染的问题，也为生物质资源有机成分回收利用后残留物中二氧化硅原料的的资源化利用提供了一个新的途径。

本发明所述的一种利用水稻秸秆制备自分离的超细氮化硅纤维的方法，按下列步骤进行：

a、从田间收集水稻秸秆，切成3cm的长条后并清洗干净以去除表面杂质；

b、将清洗彻底后的水稻秸秆在80-150℃温度范围内保温1-5小时使其充分干燥；

c、将干燥后的水稻秸秆水平并列置于高温反应容器瓷方舟中，并用相同规格的瓷方舟作为收集容器，且留有氮气通气孔，然后在真空管式炉中焙烧，焙烧温度为1400-1800℃，时间为1-7小时，焙烧过程在氮气氛围中进行并以20L/h的流速持续向管式炉中通入氮气；

d、焙烧过程中，水稻秸秆通过碳热分解、氮气还原的气-固相反应转变为氮化硅纤维，在收集容器中不断沉积生长，实现产品纤维与原料自分离，即得到成分为α-Si₃N₄晶体结构，直径为200-2000nm，长度为0.1-10cm，且表面光滑的超细氮化硅纤维。

本发明所述的一种利用水稻秸秆制备自分离的超细氮化硅纤维的方法，该方法与现有技术相比，其优点为：

本发明所述方法能够充分利用生物质能源-水稻秸秆中的无机二氧化硅，与现有利用生物质能源有机成分制备气、液等能源产品技术相互补，完善水稻秸秆资源化利用产业链。

本发明所述方法利用气-固相反应生产氮化硅纤维，产品易于从反应基体中分离出来，且具有超高长径比、表面光滑等优点。