[发明专利]一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法

说明书

本发明公开一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，首先利用乙酰化及接枝改性处理的木质素与聚丙烯腈配置成聚丙烯腈/木质素混合溶液，然后静电纺丝上述混合液制备聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜，最后对制备的纳米纤维膜进行预氧化及碳化处理得到聚丙烯腈/木质素碳纳米纤维。本发明方法中木质素经过乙酰化及接枝改性处理后，与聚丙烯腈有较好的相容性，提高了聚丙烯腈/木质素混合溶液的可纺性，同时制备的聚丙烯腈/木质素纳米纤维直径达到200nm～350nm，热力学性能也得到提高，预氧化及碳化处理后成功利用聚丙烯腈/木质素制备了结构性能良好的碳纳米纤维。

技术领域

本发明涉及碳纳米纤维制备的技术领域，特别涉及一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法。

背景技术

碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温和耐腐蚀等优良性能，广泛地应用于航天航空、生物医疗、体育器材和汽车零部件等领域，碳纤维的制备及应用也推动着科技经济的发展。纳米级的碳纤维赋予碳纤维较大的孔隙率及比表面积，其应用范围更加广泛。

常见的制备碳纳米纤维的工艺主要有拉伸法、自组装法、气相沉积法、模板合成法、静电纺丝法等。其中拉伸法对溶液的粘度有较高的要求，自组装法和气相沉积法的产率不高，模板合成法不能进行连续生产，而静电纺丝法在纺丝工艺参数及纳米纤维尺寸等方面有较好的可控性，在效率及产量方面较其他方法更优越。

静电纺丝制备碳纤维的原料常用的有聚丙烯腈(PAN)纤维，随着碳纤维的需求不断增加，作为石油衍生物的PAN消耗越来越大，其成本较高的问题也越来越突出，找到一种低成本材料作为碳纤维制备原料也越来越迫切。木质素来源丰富，含碳量高，可作为碳纤维原料的一种生物基材料，但其分子结构复杂，不易纺丝成型。为合理利用木质素，对木质素进行化学改性及与其他可纺性较好的高分子材料混合电纺将作为利用木质素的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，该方法通过对木质素进行改性，利用静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纤维原丝，提高了木质素的可纺性，不仅简便地制备了较好热力学性能的纤维原丝，而且再对纤维原丝进行预氧化及碳化处理得到结构致密的碳纳米纤维。

本发明的技术方案为：一种静电混纺聚丙烯腈/木质素制备碳纳米纤维的方法，包括以下步骤：

(1)对木质素磺酸盐进行预处理，得到木质素；

(2)将步骤(1)所得的木质素先进行乙酸酐乙酰化处理，再进行丙烯腈接枝改性处理；

(3)将经过步骤(2)处理的木质素与聚丙烯腈混合，所得混合物溶解在有机溶剂中，配制成溶质质量分数为8～16％的聚丙烯腈/木质素混合溶液；

(4)对步骤(3)中配制的聚丙烯腈/木质素混合溶液进行静电纺丝成型，制备聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜；静电纺丝成型时，电压为10～20kv，接收距离为12～20cm，流量推速为0.2～2ml/h；

(5)步骤(4)中制备的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜在空气中进行预氧化，预氧化温度为200～280℃，预氧化时间为0.5～2h，预氧化后的聚丙烯腈/木质素纳米纤维膜在氮气保护下升温至700～1000℃碳化2～8h。

所述步骤(1)中，木质素磺酸盐的预处理方法为：将木质素磺酸盐在NaOH溶液中加热溶解，过滤去除杂质之后，快速搅拌溶液并滴加浓硫酸，调节溶液的pH值到2～4，离心干燥溶液，得到木质素。

所述步骤(2)中，木质素的乙酸酐乙酰化处理方法为：将步骤(1)中得到的木质素溶解在二甲基亚砜中，再加入三乙胺，再缓慢滴加乙酸酐并不断搅拌，常温下反应2～8h，反应产物置于乙醚中沉淀，过滤，再用乙醇洗涤过滤得到的固体，经50～80℃真空烘干，得到乙酰化木质素。