農(nóng)作物秸稈活性碳纖維生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種農(nóng)作物秸稈利用技術(shù)，即農(nóng)作物秸稈活性碳纖維生產(chǎn)方法，包括熔融抽絲、氧化穩(wěn)定、絕氧碳化過程，其特點是：所述熔融抽絲過程是把農(nóng)作物秸稈粉碎成細粉再放入搗缸，加入粘合劑，在搗缸中加熱搗爛成粘稠流體，再加熱抽絲制成原絲，待原絲干燥后放入蒸壓釜中，在100—120℃下蒸煮80—90分鐘，取出干燥定型，再送入爐內(nèi)在絕氧條件下加溫到1100—1200℃，碳化90—120分鐘，即成為碳纖維。其有益效果是：生產(chǎn)的碳纖維強度及彈性模量適中，內(nèi)部空隙度高，比表面積大，吸附性能、殺菌功能以及紅外發(fā)射功能非常突出，可與和棉、毛、絨混紡，制成具有吸附、殺菌、除味、發(fā)射紅外等功能的高檔服裝面料，可大幅增加玉米秸稈的附加值，增加農(nóng)民收入，促進碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
【專利說明】農(nóng)作物秸稈活性碳纖維生產(chǎn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種農(nóng)作物秸桿利用技術(shù)，即農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維比重小，強度高，不銹蝕，是替代鋼鐵以及多種礦物質(zhì)纖維的新型材料。可是，由于目前人類還沒有完全掌握碳纖維的形成規(guī)律，還不能用純碳直接生產(chǎn)碳纖維，只能以含碳有機物如聚丙烯晴、浙青、煤焦油等少數(shù)化工產(chǎn)品或石油產(chǎn)品為原料生產(chǎn)碳纖維。由于資源有限，碳纖維產(chǎn)品造價昂貴，僅能在飛機、導(dǎo)彈、高爾夫球桿等高附加值產(chǎn)品上應(yīng)用，難以普及推廣。因此，開發(fā)新的廉價原料，成為碳纖維研發(fā)的主攻方向。據(jù)有關(guān)資料證明:玉米、高粱、水稻、麥類秸桿含木質(zhì)素和碳纖維的總量達70%以上，是一種產(chǎn)量大、成本低且可再生的碳源材料。目前，農(nóng)作物秸桿除了少量用于飼料、燃料之外，還有相當(dāng)部分被廢棄或集中焚燒，成為污染環(huán)境、引發(fā)火災(zāi)及航空事故的安全隱患。如果能把農(nóng)作物秸桿用于碳纖維的制造，意義十分重大?？墒?，按照目前碳纖維的生產(chǎn)方法，必須把原料通過熔融制取原絲，再經(jīng)氧化穩(wěn)定、絕氧高溫碳化及石墨化，才能制成碳纖維。而農(nóng)作物秸桿的燃點很低，且不易液化，不能像聚丙烯晴、浙青、煤焦油那樣熔融造絲，不能為碳化及石墨化提供原絲材料，因而還沒有采用農(nóng)作物秸桿制取碳纖維的報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種以農(nóng)作物秸桿為原料制取碳纖維的方法。
[0004]上述目的是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:研制一種農(nóng)作物秸桿碳纖維生產(chǎn)方法，包括熔融抽絲、氧化穩(wěn)定、絕氧碳化過程，其特點是:所述熔融抽絲過程是把農(nóng)作物秸桿粉碎成細粉再放入搗缸，加入粘合劑，在搗缸中加熱搗爛成粘稠流體，再加熱抽絲制成原絲，待原絲干燥后放入蒸壓釜中，在100— 120°C下蒸煮80— 90分鐘，取出干燥定型，再送入爐內(nèi)在絕氧條件下加溫到1100— 1200°C，碳化90—120分鐘，即成為碳纖維。
[0005]所述農(nóng)作物秸桿是玉米、高粱、水稻、麥類、豆類的秸桿中的一種或多種。
[0006]所述的粘合劑是煤焦油、浙青、羧甲基纖維素、淀粉膠之一。各種粘合劑的用法是:所述煤焦油與乙醇按重量的1:0.5—0.8稀釋后，以秸桿重量的5—8%與秸桿混合；所述羧甲基纖維素與水按重量的1:2 — 3混合，取秸桿重量的7 —10%與秸桿混合；所述浙青與二硫化碳按1:0.2-0.4混合，取秸桿重量的4一6%與秸桿混合；所述淀粉膠與35%的聚乙烯醇溶液調(diào)成糊狀，取秸桿重量的10 —15%與秸桿混合。
[0007]所述玉米秸桿粉碎的細粉，在放入搗缸前，先與液化劑混合液化，所述液化劑是由氯苯和30%的火堿溶液以1:3— 4的重量比在0.5—0.8MPa及120—150°〇下合成，再以硫酸液調(diào)PH值3.5—4配成，秸桿細粉:液化劑=3-4:1-1.5，攪拌均勻，120°C蒸汽熏蒸30分鐘后再放入搗缸。
[0008]所述加熱抽絲的同時，向抽出的原絲噴霧防粘劑，防粘劑是按重量份由蒸餾水45—50份、乳化硅油I一2份、甘油3— 4份、丙酮6—8份，在60— 70°C下混合而成。
[0009]所述碳纖維在絕氧條件下繼續(xù)升溫到2000— 2300°C，保持60—80分鐘，即成為活性碳纖維。
[0010]把活性碳纖維在冷浴下浸入30%的硫酸溶液處理10 — 20秒，送入高壓釜，打入氫氣，蒸汽加壓0.5—0.8MPa下處理60—80分鐘，減壓后加入膠凝劑及潤滑酯攪拌加壓0.8—IMPa在80 — 110°C下保持25— 30分鐘，在經(jīng)70— 80°C下水洗烘干制成柔軟絨狀活性碳纖維。
[0011]所述加入的膠凝劑是碳纖維質(zhì)量的0.5 — 5%，加入的潤滑酯是碳纖維質(zhì)量的I一3%。
[0012]所述膠凝劑是羧甲基纖維素、淀粉膠、尿醛樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、有機硅樹脂之一。
[0013]所述潤滑脂是按照重量份由乳化硅油2—3份，十二羥基硬脂酸4一5份，乙醇5—6份混合而成。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:生產(chǎn)的碳纖維強度及彈性模量適中，內(nèi)部空隙度高，比表面積大，吸附性能、殺菌功能以及紅外發(fā)射功能非常突出，可與和棉、毛、絨混紡，制成具有吸附、殺菌、除味、發(fā)射紅外等功能的高檔服裝面料，可大幅增加玉米秸桿的附加值，增加農(nóng)民收入，促進碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
[0015]實施方式
[0016]本發(fā)明總的構(gòu)思是把玉米秸桿經(jīng)粉碎縮合制成原絲，再經(jīng)穩(wěn)定、碳化制成碳纖維。下面圍繞這一構(gòu)思介紹四種實施例:
[0017]第一種實施例:選用干燥秸桿，可以選用玉米、高粱、水稻、麥類的秸桿中的一種，也可以選用兩種或兩種以上進行混合。之所以選料范圍這樣寬泛，是因為作為碳纖維的原料主要看其含碳的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的含量。據(jù)測定，上述農(nóng)作物秸桿的木質(zhì)素、纖維素及半纖維素含量均在總干重的70%以上，而且上述成分的差異性不大，即使存在著某種差異，在本方法中也不會有所影響，因而具備了單一使用或任何比例混合使用的條件。顯然，這一問題是不需要證明的。為了敘述方便，下面對于上述原料以下均稱為秸桿。
[0018]首先，把秸桿粉碎成細粉，過40目篩，放入搗缸，加入粘合劑溶液，粘合劑可選用煤焦油、羧甲基纖維素、浙青、淀粉膠之一。其中煤焦油與乙醇按重量的1:0.5 — 0.8稀釋后，以秸桿重量的5 — 8%與秸桿混合。用羧甲基纖維素與水按重量的1:2 — 3混合，取秸桿重量的7 —10%與秸桿混合。浙青與二硫化碳按1:0.2—0.4混合，取秸桿重量的4一6%與秸桿混合。淀粉膠與35%的聚乙烯醇溶液調(diào)成糊狀，取秸桿重量的10 —15%。在搗缸中邊搗邊加熱到50— 60°C，搗爛成粘稠流體狀，再送入漏孔直徑為0.8-1mm的抽絲爐，溫度在80— 100°C下抽絲，抽絲經(jīng)過烘干即成原絲。把原絲放入蒸壓釜中，在100— 120°C下蒸煮80—90分鐘，取出干燥定型。再送入碳化爐內(nèi)，在絕氧或充氮排氧的條件下，以0.50C /分鐘的升溫速率緩慢加熱，加溫到1100— 1200°C，碳化90—120分鐘，即成為碳纖維。其拉伸強度達700— 800MPa，彈性模量達61—69GPa。
[0019]將制成的碳纖維在絕氧條件下繼續(xù)升溫到2000— 2300 V，保持60— 80分鐘，即成為活性碳纖維。纖維的單絲直徑為10-30um，抗張強度為900-1200MPa，彈性模量為80-100GPa。比表面積達到 2500— 3000m2/g。
[0020]上述方法制成的活性碳纖維，強度指標能夠滿足紡織業(yè)的要求，生產(chǎn)成本顯著降低，特別適于和棉、毛、絨混紡，制作高檔服裝。其中與羊絨以11 一 14:86— 89的比例混紡，織成的羊絨衫即保持了羊絨衫的柔軟、滑順、保溫的特色以外，還增加了挺實、蓬松的特點，避免了原有的羊絨衫容易松懈的弊端。特別是保持了活性碳的吸附、凈化、殺菌、消毒、除味等優(yōu)點，其微孔結(jié)構(gòu)還是紅外線的良好發(fā)生體，具有明顯的保溫保健效果。由于活性碳纖維織入了面料，不會脫落，不怕清洗，可以長期保持活性碳的性能，這與活性碳顆粒紡入面料的現(xiàn)有技術(shù)相比，顯示出獨特的優(yōu)勢。
[0021]第二種實施例:抽絲前的過程與第一種實施例相同，在抽絲的同時，為了防止粘連，向抽出的原絲噴灑霧狀的防粘劑，防粘劑是按重量份由蒸餾水45— 50份、乳化硅油I一2份、甘油3—4份、丙酮6—8份，在60—70°C下混合而成。再把原絲放入蒸壓釜中，在100—120°C下蒸煮80— 90分鐘，取出干燥定型。再送入碳化爐內(nèi)，在絕氧或充氮排氧的條件下，以0.50C /分鐘的升溫速率緩慢加熱，加溫到1100—12001:，碳化90—120分鐘，即成為碳纖維。再把碳纖維在絕氧條件下繼續(xù)升溫到2000— 2300°C，保持60— 80分鐘，制成為活性碳纖維。
[0022]為了使碳纖維更加柔軟且具有更好的韌性和彈性，可對制取的活性碳纖維進行適度的還原反應(yīng)，再把活性碳纖維在冷浴下浸入30%的硫酸溶液處理10 — 20秒，送入蒸壓釜，打入還原劑。還原劑推薦采用氫氣，也可以用硫化氫、溴化氫、碘化氫代替氫氣。使用氫氣應(yīng)在加入蒸汽之前加入，壓力止于0.3MPa以內(nèi)，與碳纖維混合15—20分鐘后,再充入蒸汽，加壓0.5—0.8MPa，處理60— 80分鐘。減壓后加入碳纖維質(zhì)量0.5 — 5%的膠凝劑及I一3%的潤滑酯。膠凝劑采用羧甲基纖維素、淀粉膠、尿醛樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、有機硅樹脂之一。加入的潤滑脂是由按重量份乳化硅油2—3份、十二羥基硬脂酸4一5份、乙醇5— 6份混合而成。把膠凝劑、潤滑脂與物料攪拌后蒸汽加壓0.8 — IMPa，減壓降溫在80 — 110°C下保持25— 30分鐘，在經(jīng)70— 80°C下水洗烘干制成柔軟絨狀活性碳纖維。這里的碳纖維浸入硫酸的作用是使其發(fā)生還原反應(yīng)，硫酸冷浴可將硫酸的容器置于冷水或其他循環(huán)的冷卻介質(zhì)當(dāng)中，也可以采取其他的方式，其作用是把碳纖維與硫酸接觸后產(chǎn)生的熱量帶走，使還原反應(yīng)僅在碳纖維的表面輕微的進行。
[0023]經(jīng)過處理的碳纖維的內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生了微妙的變化，碳纖維表面孔隙增大增多，纖維變得非常柔軟，其物理性狀接近羊絨，其抗張強度為800-1000MPa，彈性模量為70-90GPa,比表面積達到2800—3000m2/g。其強度雖比未經(jīng)還原處理的產(chǎn)品有所下降，但用于紡織還是綽綽有余。實驗中把這種絨狀體活性碳纖維與羊絨混紡得到輕質(zhì)高強絨紗，即保持了羊絨的手感及保溫性能，又具有羊絨所沒有的韌性和彈性，即依附于人體，又具有本身的蓬松造型，不像羊絨那樣松懈無形。
[0024]大量實驗及有關(guān)專業(yè)部門檢測結(jié)果證明:這種活性碳纖維和羊毛、羊絨混紡制成的羊毛衫和羊絨衫，其吸附性能、殺菌性能及除味性能非常顯著，其特殊的微孔結(jié)構(gòu)透光性頗佳，在陽光照射下迅速滅殺或分解吸附細菌和異味分子。此外，活性碳纖維所發(fā)射的遠紅外波與人體發(fā)射的波長范圍十分吻合，同比體溫增幅可達0.9°C，且具有高溫可散熱，低溫可保溫的溫度調(diào)節(jié)性功能。
[0025]第三種實施例:把前述活性碳纖維送入石墨爐，在絕氧條件下繼續(xù)升溫到3000—3200°C，保持120—150分鐘，所得碳纖維的得碳率進一步提高，各項指標均達到石墨化碳纖維的標準。在爐具性能許可的情況下，纖維的碳火、活化和石墨化過程也可在同一碳化爐內(nèi)完成。
[0026]第四種實施例:選用木質(zhì)素含量22%以上、纖維素含量34%以上，半纖維素含量37%以上的干燥秸桿，粉碎成細粉，過40目篩，把篩選的秸桿細粉與液化劑混合液化?？捎玫囊夯瘎┑钠贩N很多，但價格都比較高，為此，推薦以下方法制取液化劑:按重量份取氯苯(C6H5CI) I份和30%的火堿(NaOH)溶液3—4份混合，在高壓釜內(nèi)加熱加壓到0.5—0.8MPa及120— 150°C反應(yīng)25— 30分鐘，再以硫酸液調(diào)PH值3.5—4配成。按重量份取秸桿細粉3—4份與液化劑I一1.5份，攪拌均勻，放入蒸鍋，以120°C蒸汽熏蒸30分鐘敞開存放60—70分鐘，此時秸桿物料中的木質(zhì)素50%以上被溶解，其余物料明顯軟化。再把被軟化的物料連同溶解液一同放入搗缸。后續(xù)工藝與前述實施例相同。經(jīng)過抽絲、氧化穩(wěn)定、碳化、活化等工序，所制得的碳纖維、活性碳纖維、柔軟活性碳纖維的各項指標均達到或略高于前述實施例的水平，而廣品的得率卻提聞8一12%。
【權(quán)利要求】
1.一種農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，包括熔融抽絲、氧化穩(wěn)定、絕氧碳化過程，其特征在于:所述熔融抽絲過程是把農(nóng)作物秸桿粉碎成細粉再放入搗缸，加入粘合劑，在搗缸中加熱搗爛成粘稠流體，再加熱抽絲制成原絲，待原絲干燥后放入蒸壓釜中，在100— 120°C下蒸煮80— 90分鐘，取出干燥定型，再送入爐內(nèi)在絕氧條件下加溫到1100— 1200°C，碳化90—120分鐘，即成為碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:所述農(nóng)作物秸桿是玉米、高粱、水稻、麥類、豆類的秸桿中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:所述的粘合劑是煤焦油、浙青、羧甲基纖維素、淀粉膠之一，各種粘合劑的用法是:所述煤焦油與乙醇按重量的1:0.5—0.8稀釋后，以秸桿重量的5—8%與秸桿混合；所述羧甲基纖維素與水按重量的1:2 — 3混合，取秸桿重量的7 —10%與秸桿混合；所述浙青與二硫化碳按1:0.2—0.4混合，取秸桿重量的4 一 6%與秸桿混合；所述淀粉膠與35%的聚乙烯醇溶液調(diào)成糊狀，取稻桿重量的10—15%與稻桿混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:所述玉米秸桿粉碎的細粉，在放入搗缸前，先與液化劑混合液化，所述液化劑是由氯苯和30%的火堿溶液以1:3 — 4的重量比在0.5—0.8MPa及120— 150°C下合成，再以硫酸液調(diào)PH值3.5—4配成，秸桿細粉:液化劑=3-4:1-1.5，攪拌均勻，120°C蒸汽熏蒸30分鐘后再放入搗缸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:所述加熱抽絲的同時，向抽出的原絲噴霧防粘劑，防粘劑是按重量份由蒸餾水45— 50份、乳化硅油I一2份、甘油3— 4份、丙酮6— 8份，在60— 70°C下混合而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:所述碳纖維在絕氧條件下繼續(xù)升溫到2000— 2300°C，保持60— 80分鐘，即成為活性碳纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:s所述活性碳纖維在冷浴下浸入30 %的硫酸溶液處理10—20秒，送入高壓釜，打入氫氣，蒸汽加壓0.5—0.8MPa下處理60—80分鐘，減壓后加入膠凝劑及潤滑酯攪拌加壓0.8— IMPa在80— 11 (TC下保持25— 30分鐘，在經(jīng)70— 80°C下水洗烘干制成柔軟絨狀活性碳纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:所述加入的膠凝劑是碳纖維質(zhì)量的0.5 — 5%，加入的潤滑酯是碳纖維質(zhì)量的I一3%。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:所述膠凝劑是羧甲基纖維素、淀粉膠、尿醛樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、有機硅樹脂之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于:所述潤滑脂是按照重量份由乳化硅油2— 3份，十二羥基硬脂酸4一5份，乙醇5— 6份混合而成。
【文檔編號】D01F9/17GK104131364SQ201410335224
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】李文軍 申請人:李文軍