[发明专利]生物质萃取物与聚丙烯腈共纺制备碳纤维的方法及碳纤维

说明书

本发明公开了一种生物质萃取物与聚丙烯腈共纺制备碳纤维的方法及碳纤维。该方法利用有机溶剂萃取生物质原料，获得常温下可溶的低分子量萃取物，接着利用高分子量萃取物、聚丙烯腈及纺丝溶剂配制纺丝液，水浴加热并搅拌，然后静电纺丝；最后，将纺出的丝进行氧化及高温碳化获得碳纤维。本发明提供了一种碳纤维制备路径，其原料成本较传统碳纤维制备工艺原料低廉且可部分替代成本较高的聚丙烯腈前驱体，制备工艺相对较简单，环境污染相对较小。并且，本发明所得碳纤维品质良好，拥有发达的孔隙结构，比表面积最高可达836.82m²/g，比体积最高可达188.41cm³/g，具有很好的经济效益和应用前景。

技术领域

本发明属于生物质可再生能源利用、高性能材料制备领域，更具体地，涉及一种生物质热溶萃取物与聚丙烯腈共纺制备碳纤维的方法及碳纤维。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在90％以上的无机碳素纤维材料。因其制备过程中不同纺丝方法的差异，使得碳纤维具有不同的特性。目前的纺丝方法主要有熔融纺丝和静电纺丝两种。

通过熔融纺丝最终制得的碳纤维的纤维较粗，具有低密度、高强度、高模量、高热导、耐高温、抗化学腐蚀、低热膨胀系数、低电阻、耐化学辐射等特点，可作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及碳素等基体进行复合，组成复合材料应用于在航空航天、国防军事、体育休闲用品、民用工业领域，具备不可替代的地位。

通过静电纺丝最终制得的碳纤维的纤维直径较小，表面孔隙结构发达，具有耐腐蚀性、高表面积、生物相容性等特点使其在有害化学品吸附、空气净化、水体保护、作为催化剂的载体、超级电容的电极材料及作为燃料电池的储氢材料等方面也有重要应用。

近年来，高性能碳纤维以其卓越的性价比，军工上重要的战略地位和巨大的工业应用市场，吸引着世界上许多国家和地区投入大量的人力、物力和财力进行研制和开发。但到目前为止，能够用于工业化生产碳纤维的材料仅有聚丙烯腈(PAN)、沥青或粘胶三种，但是，使用上述三种材料生产碳纤维分别存在如下问题：

1、聚丙烯腈基碳纤维产量占据了总产量的91％，但是这种工艺仅从原料到聚丙烯腈基前驱体的制备过程成本就占据了整个工艺成本的1/4；并且，聚丙烯腈基前驱体的制备过程工序冗杂，过程资源及能源消耗巨大；

2、沥青基前驱体直接用于制备碳纤维时，获得的沥青基碳纤维品质较差，所以制备高性能沥青基碳纤维则需将沥青先转化为中间相沥青，再脱除杂质及不溶物等，这使成本增加，技术难度大；

3、粘胶基碳纤维在军工和航天领域有特殊价值，但存在碳化收率低、热解反应复杂、加工过程长和能耗高等缺点。

因此，采用一种更加廉价的原料替代丙烯腈、沥青及粘胶等原料并开发一种更为简单的碳纤维前驱体制备工艺具有重大意义。

在碳纤维制备工艺中，碳纤维前驱体的芳香化程度、灰分含量及软化点等因素对碳纤维的制备至关重要。前驱体的芳香化程度极大地影响了碳纤维内部结构的形成，过高灰分会降低碳纤维的品质和性能，而软化点较低则会使得纤维在预氧化及碳化过程容易发生熔化粘结。

生物质是自然界中可再生碳资源储量最丰富的一种资源，且廉价易得。通过生物质热溶萃取方法获得的固体萃取产物(如高分子量萃取物)的碳元素含量达到73％以上，氧元素含量降至10％以下，几乎无灰且芳香结构大幅增加，软化点在200℃-250℃之间，有潜在的可行性作为碳纤维前驱体用于制备碳纤维，但是目前的萃取产物在纺丝过程中表现出很差的可纺性，无法制备出高品质的碳纤维。

发明内容