本發(fā)明公開了一種碳纖維制備方法，尤其涉及一種以纖維素為前驅(qū)體的碳纖維制備方法。

背景技術(shù)：

1、目前碳纖維主要分為聚丙烯腈(pan)基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，其中pan基碳纖維為主流，粘膠基碳纖維還不足1％。我國為棉漿生產(chǎn)大國，原料優(yōu)勢為我國粘膠基碳纖維行業(yè)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。但全球高端粘膠基碳纖維市場主要集中于歐美等國家，我國企業(yè)缺乏高端競爭優(yōu)勢。

2、粘膠基碳纖維在隔熱材料、航空航天、國防軍工、醫(yī)用材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用場景。但是與pan基碳纖維相比，粘膠基碳纖維工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過程繁瑣，而且生產(chǎn)成本較高；此外粘膠基碳纖維前體纖維性能較差，導(dǎo)致粘膠基碳纖維性能無法進一步提升，因此提高粘膠基碳纖維性能的關(guān)鍵是提高原絲中的分子取向度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有制備黏膠基碳纖維生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高且原絲性能差的問題，而提出的一種以纖維素為前驅(qū)體的碳纖維制備方法。

2、一種以纖維素為前驅(qū)體的碳纖維制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

3、步驟1：將纖維素的衍生物用有機溶劑溶解，成為均勻透明的纖維素溶液；

4、步驟2：將所得纖維素紡絲液用特定的紡絲工藝形成纖維；

5、步驟3：將獲得的衍生化纖維素纖維在承載一定應(yīng)力下浸泡在堿性皂化溶液中，得到纖維素纖維；

6、步驟4：用合適的浸漬劑處理纖維素纖維，取出后烘干；

7、步驟5：預(yù)氧化過程，將纖維在空氣中由常溫升溫至300℃；

8、步驟6：碳化過程，在惰性氣體氛圍下，升溫至1200℃，之后冷卻得到碳纖維。

9、進一步的，步驟1中纖維素的衍生物包括：甲酸纖維素、乙酸纖維素、二乙酸纖維素、三乙酸纖維素、醋酸纖維素、丙酸纖維素、異丙酸纖維素、丁酸纖維素、乙酸丁酸纖維素和纖維素黃酸酯、乙酸丙酸纖維素、醋酸丙酸纖維素中的任一種纖維素酯類或者纖維素酯醚混合衍生物。

10、進一步的，步驟1中溶解纖維素衍生物的溶劑包括：三氟乙酸/二氯甲烷或三氟乙酸/水，其中三氟乙酸和二氯甲烷的體積比范圍是從1：0到2：3，三氟乙酸和水的體積比范圍是從1：0到2：3。

11、進一步的，步驟1中特定的紡絲方法包括，牽引拉絲、干法紡絲或干噴濕紡。

12、進一步的，所述的牽引拉絲紡絲方法是將不銹鋼棒在纖維素溶液中的插入深度為0.2-1.5mm，以0.1-1cm/s的速度抽出成絲，所得纖維直徑可以調(diào)控在4.0和12.0m之間；

13、所述的干法紡絲的紡絲方法是將纖維素溶液放置于針管中，針頭內(nèi)徑0.16-0.33mm，以5.1-15.5m/s的速度擠出，在空氣濕度為20％rh的環(huán)境下成絲；

14、所述的干噴濕紡的紡絲方法是將纖維素溶液放置于針管中，針頭內(nèi)徑0.16-0.33mm，以5.1-15.5m/s的速度擠出，跟空氣接觸一段后，打入以水為介質(zhì)的凝固浴中，形成纖維，從凝固浴中取出，晾干后成絲；

15、其中的纖維素溶液是將15wt％纖維素溶解于v:v＝3:2的三氟乙酸/二氯甲烷或三氟乙酸/水中得到。

16、進一步的，步驟3中是通過施加應(yīng)力承重三乙酸纖維素纖維，浸泡在甲醇鈉/甲醇的堿性溶液中去除乙?；玫嚼w維素纖維。

17、進一步的，步驟4是將烘箱中的溫度設(shè)置為50－60℃，然后將浸泡完的纖維素纖維放置于烘箱中進行烘干。

18、進一步的，步驟4中的浸漬劑包括，磷酸二氫銨溶液(5-10wt％)，磷酸氫二銨溶液(5-10wt％)的無機磷酸鹽或含氮硫酸鹽，浸泡時間為2-5天。浸漬劑有阻燃作用，可以使原絲結(jié)構(gòu)脫水和熱解反應(yīng)向低溫移動，緩解熱裂解和脫水反應(yīng)，抑制產(chǎn)生左旋葡萄糖的副反應(yīng)的發(fā)生，從而使得氧化分解時間能得到延長，有助于減少纖維表面的孔洞缺陷，提高碳纖維性能。

19、進一步的，步驟5預(yù)氧化過程，是將纖維在空氣中由常溫升溫至300℃，升溫速度1-10℃/min，并在300℃在保溫0-5h；

20、進一步的，步驟6炭化過程，在氮氣氛圍下，升溫速度1-10℃/min，1200℃保持0-5h，自然降溫至室溫，得到碳纖維。

21、進一步的，本發(fā)明所述的惰性氣體為氮氣或氬氣。

22、本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：

23、1、本發(fā)明因為氫鍵由衍生化官能團的保護，紡絲液中是分子鏈級別的分散使得賦予了衍生化纖維素纖維良好的力學(xué)性能。

24、2、本發(fā)明將衍生化纖維素纖維的衍生化官能團通過堿性溶液去除，氫鍵再次重新鏈接形成，因為分子鏈取向好，通過這種包裹氫鍵先形成分子鏈級的溶解整齊排列，再去除包裹，氫鍵重新連接，制備的纖維素纖維力學(xué)性能很大突破。

25、3、本發(fā)明制備的三乙酸纖維素因紡絲過程中充分拉伸，使其分子鏈排列取向性好，且因為氫鍵由乙?；谋Ｗo，紡絲液中是分子鏈級別的分散使得賦予了三乙酸纖維素良好的力學(xué)性能，是碳纖維良好前驅(qū)體。

26、4、本發(fā)明的碳纖維遇火不燃燒，具有阻燃性。

技術(shù)特征：

1.一種以纖維素為前驅(qū)體的碳纖維制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1中纖維素的衍生物包括：甲酸纖維素、乙酸纖維素、二乙酸纖維素、三乙酸纖維素、醋酸纖維素、丙酸纖維素、異丙酸纖維素、丁酸纖維素、乙酸丁酸纖維素和纖維素黃酸酯、乙酸丙酸纖維素、醋酸丙酸纖維素中的任一種纖維素酯類或者纖維素酯醚混合衍生物。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1中溶解纖維素衍生物的溶劑包括：三氟乙酸/二氯甲烷或三氟乙酸/水，其中三氟乙酸和二氯甲烷的體積比范圍是從1：0到2：3，三氟乙酸和水的體積比范圍是從1：0到2：3。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2中特定的紡絲方法包括，牽引拉絲、干法紡絲或干噴濕紡；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3中是通過施加應(yīng)力承重纖維素纖維，浸泡在甲醇鈉/甲醇的堿性溶液中去除乙?；玫嚼w維素纖維。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟4是將烘箱中的溫度設(shè)置為50－60℃，然后將浸泡完的纖維素纖維放置于烘箱中進行烘干。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟4中所述的浸漬劑包括，5-10wt％的磷酸二氫銨溶液或5-10wt％的磷酸氫二銨溶液的無機磷酸鹽或含氮硫酸鹽，浸泡時間為2-5天。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟5預(yù)氧化過程，是將纖維在空氣中由常溫升溫至300℃，升溫速度1-10℃/min，并在300℃在保溫0-5h。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟6炭化過程，是在惰性氣體氛圍下，升溫速度1-10℃/min，1200℃保持0-5h，自然降溫至室溫，得到碳纖維。

10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的制備方法，其特征在于，所述的惰性氣體為氮氣或氬氣。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種以纖維素為前驅(qū)體的碳纖維制備方法。所述制備方法包括以下步驟：將纖維素酯(纖維素衍生物)溶解在適當(dāng)有機溶劑中，然后從此紡絲溶液中規(guī)?；崛〖徑z纖維，所獲得的纖維素酯纖維通過去衍生化(去酯化)重新建立了纖維素分子之間的氫鍵，從而形成纖維素纖維。將纖維素纖維在催化劑中充分浸泡后烘干。接著將烘干后的纖維素纖維預(yù)氧化和碳化，最終制得的碳纖維。所得碳纖維導(dǎo)電系數(shù)為230s?cm<supgt;?1</supgt;,導(dǎo)熱系數(shù)為434.3W?m<supgt;?1</supgt;K<supgt;?1</supgt;，拉伸強度為478MPa，展現(xiàn)出了良好的導(dǎo)電性與力學(xué)性能。與現(xiàn)有碳纖維制備技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種以新型纖維素纖維為前體的碳纖維制備策略，且該制備方法簡單方便，成本低，環(huán)境友好。

技術(shù)研發(fā)人員：周湘,李超,于凱晴,劉遵峰
受保護的技術(shù)使用者：中國藥科大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30