[发明专利]一种酚醛树脂改良的木质素碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种酚醛树脂改良的木质素碳纤维及其制备方法，所述酚醛树脂改良的木质素碳纤维以木质素、酚醛树脂、增塑剂和偶联剂为原料混合制成，其中木质素占总质量百分比的70‑85％，酚醛树脂占总质量百分比的1‑10％，增塑剂占总质量百分比的10‑15％，偶联剂为木质素、酚醛树脂和增塑剂三者质量百分比之和的2‑5％。本发明通过将酚醛树脂加入到木质素碳纤维中极大改良了木质素碳纤维的热降解程度，提高了其热性能和韧性，并使得改良后的木质素碳纤维能够快速的纺丝成型，同时也确保了改良后的木质素碳纤维的抗拉强度和导电率。

技术领域

本发明涉及碳纤维制备技术领域，尤其涉及一种酚醛树脂改良的木质素碳纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，其具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，碳纤维的外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。其中碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。

目前，市场上90％以上的碳纤维是以聚丙烯腈(PAN)为前躯体制备的，还有少部分碳纤维是以沥青为前躯体制备的。虽然用这些石油副产物作为前躯体可制备性能良好的碳纤维，但是，消耗石油资源会使得碳纤维的制造成本增加，碳纤维的价格也会随之增长。碳纤维的应用前景非常广阔，但高昂的生产成本制约了碳纤维的发展，因此寻找合适的前躯体替代品来降低碳纤维的制造成本成为一个亟需解决的问题。

木质素是由对香豆醇，松柏醇和芥子醇衍生的多相芳香族高分子化合物，碳含量高达60％以上，木质素广泛存在于植物组织中，其含量仅次于纤维素，具有来源广泛、价格低廉、环保可再生、碳含量高达60％等优点，是一种理想的碳材料前驱体。利用木质素作为前躯体制造碳纤维，可以降低碳纤维的制造成本，但是现有的木质素碳纤维在使用过程中，韧性和抗拉强度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种酚醛树脂改良的木质素碳纤维及其制备方法，通过在木质素碳纤维中添加酚醛树脂来改良木质素碳纤维的热降解程度，提高了其热性能和韧性，使得该木质素碳纤维能够快速的纺丝成型，进而确保了该木质素碳纤维的抗拉强度和导电率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种酚醛树脂改良的木质素碳纤维，以木质素、酚醛树脂、增塑剂和偶联剂为原料混合制成，其中木质素占总质量百分比的70-85％，酚醛树脂占总质量百分比的1-10％，增塑剂占总质量百分比的10-15％，偶联剂为木质素、酚醛树脂和增塑剂三者质量百分比之和的2-5％。

优选地，所述木质素为软木木质素和草本植物木质素中的至少一种，其纯度大于99.5％。

优选地，所述酚醛树脂为低分子量液体酚醛树脂，优选为novolac酚醛树脂。

优选地，所述增塑剂为高沸点有机溶剂或高沸点高分子溶剂，优选为DMSO、DMF、PEG和PPO中的一种。

优选地，所述偶联剂为六次甲基四胺。

一种如上述所述的酚醛树脂改良的木质素碳纤维的制备方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将木质素和酚醛树脂按比例混合，再将增塑剂和偶联剂加入混合溶液中并逐步升高温度，在低于拉丝温度10℃左右的温度下充分搅拌，其中拉丝温度为90-110℃；

S2、在步骤S1中的拉丝温度下将充分搅拌后的混合物进行拉丝处理，得到酚醛塑酯改良后的木质素纤维原丝；

S3、将所得到酚醛塑酯改良后的木质素纤维原丝进行预氧化和碳化，冷却至室温后即可得到酚醛树脂改良的木质素碳纤维。

优选地，所述步骤S1中的搅拌速度为20-30r/min。