[发明专利]生物质基柔性阻燃碳纳米纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明属于阻燃材料技术领域，具体地说涉及一种生物质基柔性阻燃碳纳米纤维及其制备方法和应用。该碳纳米纤维是以磷酸为交联剂将木质素进行苯胺改性后和醋酸纤维素交联而形成线性结构，然后将其进行静电纺丝而制备得到，制备的碳纳米纤维具有柔软、阻燃性能好、温度灵敏度高、耐水性好、对环境更友好等特点。本发明的制备方法工艺简单，反应条件温和，对环境友好，木质素原料丰富，来源广泛。制备得到的生物质基柔性碳纳米纤维阻燃材料，结构稳定、纤维柔软，可塑造性强，具有稳定持续且优异的阻燃性能。

技术领域

本发明属于阻燃材料技术领域，具体地说涉及一种生物质基柔性阻燃碳纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，多功能纺织品在窗帘、壁纸、绘画和床上用品等方面的应用越来越受到人们的青睐。不幸的是，织物产品往往容易燃烧，火焰传播有巨大的安全风险。为了最大限度地减少火灾可能造成的破坏，发展快速反应和阻燃型火灾报警传感器对火灾危险的早期预警至关重要。石墨烯基材料具有良好的热稳定性、独特的气体不透气性和离子不透气性以及可燃性，作为一种新型阻燃材料引起了人们的广泛关注。然而，一旦检测到热量，这些传感器就不可逆地从绝缘体转换为导体，因此无法监测火灾的重新点火。因此，开发一种可用于循环测热的感测材料具有十分重要的意义。

基于生物质基的传感材料以其低成本、易加工和环境友好的特点，在全球环境保护的努力下成为热门的阻燃材料。然而，由于大多数生物质基材料具有吸湿性和可燃性，实现基于生物质基材料的疏水阻燃火灾报警传感器仍然是一个重大的制造挑战。在以往的研究中，可以成功地制备纤维素/木质素共混生物质基碳纳米纤维(CNFs)。但基于CNFs的这些传感器的火灾预警报警响应仍然较长，水下强度较差，极大地限制了有效的防火功能。因此，进一步提高CNFs传感器的耐水性能和温度敏感性至关重要。

发明内容

鉴于上述现有技术中的阻燃材料存在温度敏感性差、耐水性差等问题，本发明提供一种生物质基柔性阻燃碳纳米纤维及其制备方法，该阻燃碳纳米纤维是以磷酸为交联剂将木质素进行苯胺改性后和醋酸纤维素交联而形成线性结构，然后将其进行静电纺丝而制备得到，制备的碳纳米纤维具有柔软、阻燃性能好、温度灵敏度高、耐水性好、对环境更友好等特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明一方面提供一种生物质基柔性阻燃碳纳米纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(a)将盐酸、苯胺和去离子水在不高于0℃条件下混匀，得到的混合溶液中盐酸的浓度为1mol/L；

(b)向步骤(a)得到的混合溶液中加入木质素和过硫酸铵溶液，苯胺和过硫酸铵的摩尔比为(0.5～1)：1，在氮气保护下聚合反应4h；

(c)将步骤(b)得到的混合溶液进行抽滤，固体产物用盐酸、丙酮洗涤；

(d)将步骤(c)得到的固体产物用去离子水反复冲洗、离心，再用去离子水超声分散，随后冷冻干燥得到苯胺改性木质素粉末；

(e)将苯胺改性木质素粉末溶解于溶剂后，加入磷酸，搅拌均匀，进行磷化改性，得磷化木质素溶液；

(f)向步骤(e)得到的磷化木质素溶液中加入醋酸纤维素，搅拌至溶液均匀无颗粒，得木质素/纤维素基纺丝液；

(g)将步骤(f)得到的木质素/纤维素基纺丝液进行静电纺丝得到前驱体纤维，随后依次进行预氧化处理、碳化处理，得生物质基柔性阻燃碳纳米纤维。

在上述技术方案中，所述步骤(c)中，盐酸浓度为0.01mol/L，盐酸、丙酮交替洗涤三次去除低聚物及未反应的有机物。

在上述技术方案中，所述步骤(d)中，固体物用去离子水冲洗至pH为6，离心分散所得悬浮物，沉淀用去离子水超声分散，直至分散液的pH为7；