[发明专利]一种木质素/醋酸纤维素基环氧改性碳纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种木质素/醋酸纤维素基环氧改性碳纤维以及制备方法与应用。将木质素和醋酸纤维素在环氧氯丙烷存在下，进行化学改性反应制得所述的木质素/醋酸纤维素基纺丝液，经静电纺丝方法制成碳纤维前驱体，再经预氧化处理和碳化处理制成碳纤维。加入适量的环氧氯丙烷使其与木质素和醋酸纤维素上的羟基发生反应但环氧不开环，使其在纺丝过程中更易成丝。在预氧化过程中环氧开环使木质素与醋酸纤维素之间形成化学键，增加其热稳定性，降低相分离现象的发生。本发明方法制得的碳纤维具有良好的纤维形态、高机械性以及吸附性能，在作为电极、增强材料和吸附剂方面有着良好应用前景，为生产高质量、绿色、低成本的全生物质基碳纤维提供了保证。

技术领域

本发明属于生物质材料加工技术领域，具体涉及一种木质素/醋酸纤维素基环氧改性碳纤维及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，全球变暖、能源危机和环境污染已经引起人们的广泛关注。采用替代能源是解决这些问题的有效方式，例如各种电化学能量储存和转换装置。低能量密度与高成本是制约电化学电容器发展的瓶颈。为解决这一难题，发展电化学电容器新的电极材料是一个重要而有效可行的途径。碳纤维因其质量比容量高、导电性好、表面开孔、能提供良好的反应路径、具有优异的强度和成型性能等特点，作为电化学电容器电极材料越来越受到关注。

目前来说，制备碳纤维的主要原材料为聚丙烯腈等石油高聚物，然而，由于化石能源的不可再生性和高昂的价格，制约了以其作为原料制备的碳纤维在民用领域的进一步应用和发展。木质素因其含碳量高、低成本、可再生等优点已经发展成为替代石油基原料生产低成本民用碳纤维的优良原材料。

然而，由于纤维素的化学结构中存在数量众多的羟基，使其在与含有芳香烃结构的木质素物理混合纺丝过程中会出现相分离情况，大大降低了其使用性能。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种木质素/醋酸纤维素基环氧改性碳纤维的制备方法，该方法制备得到的碳纤维以全生物质原料为基材。

本发明的技术方案如下：

一种木质素/醋酸纤维素基环氧改性碳纤维的制备方法，通过静电纺丝方法，将木质素/醋酸纤维素基纺丝液制成碳纤维前驱体，再经预氧化处理和碳化处理制成碳纤维，将木质素和醋酸纤维素在环氧氯丙烷存在下，进行化学改性反应制得所述的木质素/醋酸纤维素基纺丝液。

在上述技术方案中，所述的化学改性反应的反应温度为0～10℃，反应时间为6～12h。

在上述技术方案中，在所述的化学改性反应中，所述的木质素与醋酸纤维素的加入量为按质量比30:70～70:30，所述的木质素和醋酸纤维素的加入量为反应体系质量的10～30％。

在上述技术方案中，在所述的化学改性反应中，所述的环氧氯丙烷加入量为反应体系质量的2～20％，优选为5～16％，更优选为8～12％。

在上述技术方案中，在所述的化学改性反应中，将木质素和醋酸纤维素溶于溶剂A和溶剂B的混合溶剂中，其中溶剂A和溶剂B的混合比例为按体积比1～2:1，所述混合溶液中溶剂A/溶剂B为丙酮/N,N二甲基甲酰胺、冰醋酸/N,N二甲基甲酰胺、丙酮/N,N二甲基乙酰胺或冰醋酸/N,N二甲基乙酰胺。

在上述技术方案中，所述静电纺丝方法中，静电电压15～35KV，接收距离10-35cm，接受辊转速200～700r/min，纺丝液推速0.1～1ml/h。

在上述技术方案中，所述的预氧化处理是将碳纤维前驱体在空气氛围中预氧化，预氧化由室温开始，以0.01℃～2.00℃/min的速率升温至200℃-300℃，并在此温度下保温8～12h，得到预氧化纤维。

在上述技术方案中，所述的碳化处理是将经预氧化处理得到的预氧化纤维惰性气体保护下加热碳化处理，以2℃～10℃/min速率升温至600℃～1400℃，并在此温度下保温2～6h，得到木质素/醋酸纤维素基静电纺丝碳纤维。