[发明专利]一种木质素/纳米纤维素基碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种木质素/纳米纤维素基碳纤维及其制备方法，所述方法包括以下步骤:1）通过TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系制备表面负电荷的高长径比纳米纤维素，将木质素磺酸钠和纳米纤维素按比例混合，获得木质素/纳米纤维素复合纺丝液；2）在微流体络合纺丝过程中，木质素和纳米纤维素在拉伸流场作用下，沿着流动方向高度取向组装，同时，采用正电荷的壳聚糖原位交联木质素和纳米纤维素，获得木质素/纳米纤维素前驱体纤维；3）将前驱体纤维在管式炉中经过预氧化和碳化处理，获得高强度，高导电的生物基碳纤维。本发明制备的木质素/纳米纤维素基碳纤维结晶完善，碳晶体取向度高，具有优异的拉伸强度和电导率，解决木质素基碳纤维力学性能差和导电率低的问题。

技术领域

本发明涉及碳纤维制备技术领域，具体涉及一种木质素/纳米纤维素基碳纤维及其制备方法。本发明所制备的碳纤维主要用于军工，机械电子及复合材料等领域。

背景技术

由于优异的机械性能，低密度和高导电率等特点，碳纤维已在航空航天、汽车工业、高端运动器材等战略性领域发挥重要作用，并进一步扩大其应用前景。碳纤维的前驱体材料主要为聚丙烯腈（PAN），随着石油资源的枯竭和环境问题的日益严峻，开发生物基碳纤维具有重要意义。木质素是自然界中仅次于纤维素的第二大天然高分子材料，具有来源广泛、价格低廉、可再生、碳含量高（60%）等优点，是一种理想的碳材料前驱体。然而，木质素的三维交联结构及分子间强的氢键作用，导致其可塑性和韧性较差，从而难以被纺丝成碳纤维前驱体纤维。

目前改善木质素的可纺性，制备高性能碳纤维的方法主要包括：（1）采用聚合物与木质素熔融复合并纺丝成型，制备木质素复合前驱体纤维，如聚乙烯醇，聚环氧乙烷，聚丙烯和聚乳酸等。然而，由于聚合物与木质素的相容性差，并且聚合物的热稳定性差，在前驱体纤维碳化过程中，易形成孔洞等缺陷，导致碳纤维的力学性能较差（H. C. Liu, J. Luo,H. Chang, A. A. Bakhtiary Davijani, P.-H. Wang and S. Kumar,  Carbon, 2019,149, 165-172.；M. Thunga, K. Chen, D. Grewell and M. R. Kessler,  Carbon, 2014,68, 159-166.；J. F. Kadla and S. Kubo,  Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2004, 35, 395-400.）。（2）通过乙酰化和酯化等方法对木质素进行化学修饰，或者采用PAN化学接枝等方法弱化木质素分子间的氢键作用，同时提高其可塑性，进而通过纺丝成型制备前驱体纤维。但化学修饰和接枝过程中需要使用大量的有机溶剂，牺牲了环保特性（M. Zhang and A. A. Ogale,  Carbon, 2014, 69, 626-629.；S.Chatterjee, A. Clingenpeel, A. McKenna, O. Rios and A. Johs,  RSC Advances,2014, 4, 4743-4753.）。（3）纤维素是三种主要碳纤维前驱体材料之一，通过纤维素离子液体溶液与木质素复合，并通过纺丝再生过程也制备了全生物基碳纤维前驱体，但离子液体的高成本和溶剂回收的是溶解和再生过程中的一个重大挑战（A. Bengtsson, J.Bengtsson, M. Sedin and E. Sjöholm,  ACS Sustainable Chemistry  Engineering,2019, 7, 8440-8448.）。最近，将纳米纤维素与木质素混合获得复合纺丝凝胶，并采用传统的湿法纺丝技术也制备了全生物基碳纤维，然而，由于传统湿法纺丝的拉伸和剪切流场较弱，并且制备碳纤维前驱体纤维结构较为疏松，导致湿法纺丝制备的木质素/纳米纤维素基碳纤维力学性能较差（L. Wang, M. Ago, M. Borghei, A. Ishaq, A. C. Papageorgiou,M. Lundahl and O. J. Rojas,  ACS Sustainable Chemistry  Engineering, 2019, 7,6013-6022.）。