一種碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳纖維前驅(qū)體的制備領(lǐng)域，特別涉及一種碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和服役性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防建設(shè)等高端領(lǐng)域，而對(duì)面大量廣的民用領(lǐng)域鮮有涉及，宄其原因主要是因?yàn)樗a(chǎn)碳纖維的成本較高。開(kāi)發(fā)低成本碳纖維，拓展其在民用市場(chǎng)中的應(yīng)用成為未來(lái)的發(fā)展方向。木質(zhì)素作為造紙黑液的副產(chǎn)物由于具有原料來(lái)源廣、資源可再生、價(jià)格低廉、富含苯環(huán)結(jié)構(gòu)等特性而成為制備低成本碳纖維的理想材料。專利CN 103140539 A公布了用于生產(chǎn)碳纖維的熱塑性木質(zhì)素，但由于木質(zhì)素的分子量低，且分子鏈間的纏結(jié)點(diǎn)較少，導(dǎo)致其紡絲速度較低，所得纖維較粗，不能進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)。將木質(zhì)素與高聚物復(fù)合可提高木質(zhì)素的韌性，解決其連續(xù)化生產(chǎn)的問(wèn)題。專利CN 103748271 A公布了制造含木質(zhì)素的前體纖維和碳纖維的方法，將木質(zhì)素與高聚物在適當(dāng)溶劑中通過(guò)溶液紡絲得到連續(xù)化的前驅(qū)體纖維，但采用的方法為溶液紡絲，成產(chǎn)成本高，溶劑回收困難，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維的制備方法，該發(fā)明提供的碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維具有原料可再生，纖維品質(zhì)優(yōu)良，生產(chǎn)成本低，所得纖維直徑小，強(qiáng)度高，可進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，有望經(jīng)碳化后作為增強(qiáng)材料應(yīng)用于汽車、高鐵、建筑、體育用品等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。
[0004]本發(fā)明的一種碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維的制備方法，包括:
[0005](I)將純化后的木質(zhì)素粉末、聚乳酸切片在真空烘箱中進(jìn)行間歇式熱處理，將熱處理后的木質(zhì)素粉末和聚乳酸切片混合，在160?250°C下經(jīng)雙螺桿造粒得到木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合母粒；其中聚乳酸的添加量為總質(zhì)量的0.5%?50% ；
[0006](2)將干燥后的木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合母粒在190?250°C下經(jīng)熔融紡絲機(jī)紡絲，得到碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合纖維。
[0007]所述步驟(I)中木質(zhì)素為硫酸鹽木質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鹽、有機(jī)溶劑提取木質(zhì)素、酶解木質(zhì)素和爆破木質(zhì)素中至少一種。
[0008]所述步驟(I)中木質(zhì)素粉末的熱處理溫度為100?240°C，熱處理時(shí)間為0.5?4h。
[0009]所述步驟(I)中聚乳酸切片的熱處理溫度為70?120°C，熱處理時(shí)間為6?12h。
[0010]所述步驟(2)中紡絲速度為100?8000m/min，牽伸倍數(shù)為I?5倍。
[0011]所述步驟(2)中木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合纖維的直徑為5?500 μπι。
[0012]所述步驟(2)中得到的碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合纖維預(yù)氧化、碳化得到碳纖維；其中，預(yù)氧化溫度為270?350 °C，碳化溫度為1000?2500 °C。
[0013]所述的預(yù)氧化升溫速率為0.1?5°C /min，預(yù)氧化時(shí)間為10?60min。
[0014]本發(fā)明所用的硫酸鹽木質(zhì)素購(gòu)自(Suzano Papele Celulose S.A.)公司。
[0015]本專利選用非石油基可降解材料聚乳酸為增韌材料，采用熔融紡絲方法制備出碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維，并經(jīng)預(yù)氧化、碳化等工藝得到碳纖維。該方法杜絕了石油資源的使用，同時(shí)解決了木質(zhì)素纖維不能連續(xù)化生產(chǎn)的問(wèn)題，具有原料可再生，纖維品質(zhì)優(yōu)良，生產(chǎn)成本低，所得纖維直徑小，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)前景廣闊。
[0016]有益效果
[0017](I)本發(fā)明中所提供的碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維采用的原料均為可再生材料，杜絕了石油基材料的使用；
[0018](2)本發(fā)明中所提供的碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維采用的是熔融紡絲方法，可紡性好，纖維品質(zhì)優(yōu)良，生產(chǎn)成本大幅降低，同時(shí)解決了木質(zhì)素較脆不能連續(xù)化生產(chǎn)的問(wèn)題；
[0019](3)本發(fā)明中所提供的碳纖維前驅(qū)體木質(zhì)素/聚乳酸纖維經(jīng)碳化得到的碳纖維具有直徑小，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)前景廣闊。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為實(shí)施例1中得到的木質(zhì)素/聚乳酸基碳纖維的SM圖；其中，圖Ι-a為斷面圖，1-b為表面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0022]實(shí)施例1
[0023]將木質(zhì)素粉末和聚乳酸切片(Mw= 1.77X 10 5，PDI = 1.3)分別在190。。和80°C下于真空烘箱中進(jìn)行間歇式熱處理，熱處理時(shí)間分別為0.5h和8h。將495g熱處理后的木質(zhì)素粉末和5g熱處理后的聚乳酸切片充分混合，經(jīng)雙螺桿造粒得到木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合母粒，螺桿五區(qū)溫度分別為190°C、210°C、230°C、230°C和225°C。將干燥后的復(fù)合母粒加入熔融紡絲機(jī)中進(jìn)行紡絲得到木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合纖維，紡絲溫度為200?240°C，計(jì)量泵轉(zhuǎn)速為20rpm，規(guī)格為1.8cc/r，噴絲板規(guī)格為0.18mmX 12f，紡絲速度為100m/min，牽伸倍數(shù)為1.1倍。所得木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合纖維經(jīng)預(yù)氧化(預(yù)氧化溫度為270°C，升溫速率為0.rc/min，預(yù)氧化時(shí)間為1min)和碳化(碳化溫度為1000°C，升溫速率為2°C /min，碳化時(shí)間為20min)等工藝得到碳纖維。所得碳纖維纖維直徑為46 μ m，斷裂強(qiáng)度為0.37GPa，斷裂模量為 26GPa。
[0024]實(shí)施例2
[0025]將木質(zhì)素粉末和聚乳酸切片(Mw = 1.77X 105，PDI = 1.3)分別在200。。和90°C下于真空烘箱中進(jìn)行間歇式熱處理，熱處理時(shí)間分別為Ih和6h。將475g熱處理后的木質(zhì)素粉末和25g熱處理后的聚乳酸切片充分混合，經(jīng)雙螺桿造粒得到木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合母粒，螺桿五區(qū)溫度分別為180°C、200°C、225°C、225°C和220°C。將干燥后的復(fù)合母粒加入熔融紡絲機(jī)中進(jìn)行紡絲得到木質(zhì)素/聚乳酸復(fù)合纖維，紡絲溫度為200?240°C，計(jì)量泵轉(zhuǎn)速為20rpm，規(guī)格為1.8cc/r，