[发明专利]一种木质素的扩链改性及其熔纺纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种木质素的扩链改性及其熔纺纤维的制备方法，是将木质素和催化剂在室温下充分溶解于有机溶剂中，随后加入线性二元酸继续搅拌，60～90℃下反应，然后倒入冰的去离子水中，抽滤、干燥后得到扩链改性木质素；将所得扩链改性木质素加入到熔融纺丝机中纺丝，纺丝温度200～240℃，喷丝板规格0.2～0.5mm×10f，纺丝速度为100～6000m/min，得到木质素熔纺纤维。本发明方法制备的木质素纤维具有可纺性好、韧性佳、经碳化后所得碳纤维力学性能优异等优点，便于连续化生产，市场应用前景广阔。

技术领域

本发明属于碳纤维前驱体的制备技术领域，涉及一种木质素的扩链改性及其熔纺纤维的制备方法。

背景技术

木质素由于具有含碳量高、资源可再生、价格低廉、部分可熔融加工等优点而在碳纤维前驱体领域受到越来越多的关注。将木质素经熔融纺丝成形后制备碳纤维前驱体的成本可低至聚丙烯腈纤维的十分之一，市场应用前景广阔。然而木质素的分子量较低，导致其熔纺纤维脆性大，很难得到连续化的纤维。目前大多通过添加可纺性好的高聚物来提高其可纺性，如中国专利ZL 201510288525.4公布了一种碳纤维前驱体木质素/聚乳酸纤维的制备方法，通过添加聚乳酸来提高木质素的可纺性。但是经预氧化和碳化后由于高聚物的挥发导致其内部产生大量的孔洞，极大限制了其力学性能的提高。相比物理共混改性方法，化学改性可在根本上改变木质素的可纺性和韧性。实验证实通过构筑“线型”或“微交联”木质素大分子，提高木质素的分子量，能够有效提高木质素纤维的韧性。但经检索，通过使用线性二元酸基于扩链改性构筑“线性”或“微交联”木质素大分子，并进一步通过熔纺成形得到木质素纤维的有关木质素的扩链改性及其熔纺纤维的制备方法专利鲜见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的木质素熔纺纤维韧性差、难以连续化卷绕的问题，本发明的目的在于提供一种木质素的扩链改性及其熔纺纤维的制备方法。

本发明所述木质素的扩链改性及其熔纺纤维的制备方法，步骤是：

(1)将木质素和催化剂在室温下充分溶解于有机溶剂中，随后加入线性二元酸继续搅拌，待完全溶解后升高温度进行反应，然后倒入冰的去离子水中，抽滤、干燥后得到扩链改性木质素；

(2)将制得的扩链改性木质素加入到熔融纺丝机中进行纺丝，得到木质素熔纺纤维；

其特征在于：

步骤(1)中所述的木质素为硫酸盐硬木木质素，其S结构单元含量和G结构单元含量比值大于2，且结构单元间的连接方式主要为β-β和β-O-4；所述催化剂为4-二甲氨基吡啶；所述的有机溶剂为二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺或三氯甲烷；所述线性二元酸为丙二酸、壬二酸、或十二烷二酸；其中催化剂4-二甲氨基吡啶的添加量为木质素质量的0.05～1％，且反应液中的木质素中OH官能团与二元酸中COOH官能团的摩尔比为2～20；待完全溶解后温度升高至60～90℃，反应时间为1～12h；

步骤(2)中所述纺丝温度为200～240℃，喷丝板规格为0.2～0.5mm×10f，纺丝速度为100～6000m/min。

上述木质素的扩链改性及其熔纺纤维的制备方法中：步骤(1)中所述有机溶剂优选二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺；所述线性二元酸优选丙二酸或壬二酸；其中催化剂4-二甲氨基吡啶的添加量优选为木质素质量的0.1～0.8％，且反应液中的木质素中OH官能团与二元酸中COOH官能团的摩尔比优选为8～15；待完全溶解后优选温度升高至70～80℃，反应时间为2～8h。

进一步的，上述木质素的扩链改性及其熔纺纤维的制备方法中：步骤(1)中所述有机溶剂优选二甲基亚砜；所述线性二元酸优选丙二酸；其中催化剂4-二甲氨基吡啶的添加量优选为木质素质量的0.3～0.7％，且反应液中的木质素中OH官能团与二元酸中COOH官能团的摩尔比优选为10～12；待完全溶解后进一步优选温度升高至70～80℃，反应时间为5～8h。