CN109137139A - 一种木质素基纤维的制备方法 - Google Patents

一种木质素基纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有较小直径的碱木质素基纤维的制备方法，包括以下步骤：(1)采用硫酸从碱法制浆造纸黑液中沉淀并分离出碱木质素粉末；(2)将碱木质素粉末与聚乙二醇在加热条件下溶解于二甲基甲酰胺溶液中,得到制备碱木质素基纤维的纺丝液；(3)将纺丝液加入纺丝管中,采用离心纺丝方法,调节纺丝转速,得到碱木质素基纤维。通过本发明的处理方式，所得的碱木质素基纤维具有较小直径,后期进一步碳化和活化处理可制成木质素基纳米碳纤维,可广泛应用于环保、电子、医用卫生、化工等领域。并且，本发明的方法操作方便，能耗少、耗时短、效率高，具有较好的工业应用前景。

Description

一种木质素基纤维的制备方法
技术领域
本发明属于纤维的制造的领域，具体涉及一种利用植物原料制备具有较小直径的纤维的方法。
背景技术
作为第三代吸附功能材料，活性碳纤维是一种具有多孔性的碳纤维材料，具有比表面积大、孔径适中且分布均匀、吸附速度快、杂质少等优点，可以广泛应用于水净化、空气净化、有机溶剂回收、航空、军事、食品、催化剂载体、电极材料等方面。活性碳纤维的原料主要来自于黏胶基纤维、酚醛基纤维、聚丙烯腈基纤维和沥青基纤维。但是，随着化石资源的日益紧缺，以及它们在开采和使用过程中造成的环境破坏与污染问题，使得活性碳纤维不具有可持续发展性，这也引起了研究者们的广泛重视。在高度提倡绿色环保、节能减排的今天，如何使用来源广泛、价格低廉、绿色环保的生物质资源替代化石资源为原料并用于制备活性碳纤维成为一项重要课题。
木质素与纤维素和半纤维素等构成植物体骨架，在自然界植物体中的存量十分丰富，仅次于纤维素。每年，从工业制浆造纸厂排放黑液中的木质素多达5000万吨/年，而被有效利用的量不到总量的5％，剩余部分被排放废弃或燃烧获取能量，造成一定的环境污染与资源浪费。以木质素为原料，并高值化加工制备成活性碳纤维等功能材料，不仅可以达到变废为宝和实现活性碳纤维原料的可持续性的目的，而且还可以避免对环境造成污染与破坏。
在木质素基活性碳纤维制备过程中，粉末状的木质素纺丝成型为纤维是最重要且最难的步骤之一。在现有的木质素基纤维纺丝方法中，湿法纺丝、干法纺丝、熔融纺丝和静电纺丝方法是将木质素转化为纤维的主要方法。但是，湿法纺丝、干法纺丝、熔融纺丝制备得到的木质素基纤维直径相对较大，多为20μm以上，有的甚至高于50μm。为了降低纤维直径，提高最终活性碳纤维的比表面积和吸附性能，静电纺丝方法越来越受欢迎，但此方法获得的木质素基纤维的直径虽有所减小，仍有5μm左右，并且静电纺丝过程需要较高的电压和较低的纺丝液浓度，这不仅增加了危险性也提高了制备成本。因此，为了进一步降低木质素基纤维直径，减少能耗，为制备具有高比表面积的活性碳纤维提供基础性原料，迫切需要一种能够得到木质素基纤维直径较小的制备方法。
发明内容
针对本领域存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有较小直径的碱木质素基纤维的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种可制备成具有大比表面积的木质素基活性碳纤维的原料，即木质素基纤维。
本发明为解决现有技术中存在的问题，进而提出一种具有较小直径的碱木质素基纤维的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将黑液粉末与水混合，搅拌均匀后采用滤纸过滤，以去除黑液中较大颗粒不溶物；取滤液逐次加入硫酸获得沉淀，采用低速离心机离心分离得到沉淀，将所得沉淀冷冻干燥后得到碱木质素粉末；步聚二、将碱木质素粉末与聚乙二醇在加热条件下按比例溶解于二甲基甲酰胺溶液中,得到制备碱木质素基纤维的纺丝液；步骤三、将纺丝液加入纺丝管中,采用离心纺丝方法,调节纺丝转速,得到碱木质素基纤维。
进一步，所述步聚一中碱木质素粉末为从制浆造纸废液中分离出的木质素，在真空干燥后，研磨细至100目以上。
进一步，所述步骤二中，聚乙二醇的分子量为100K-600K。
进一步，所述步骤二中的聚乙二醇质量是基于碱木质素粉末的质量，比例为0.5％-10％。
进一步，所述步骤二的碱木质素粉末与聚乙二醇溶解在二甲基甲酰胺溶液中的质量分数为5％-70％。
进一步，所述碱木质素粉末与聚乙二醇溶解到二甲基甲酰胺溶液中，先将碱木质素粉末慢慢加入到带有磁力搅拌的溶液中，再加入聚乙二醇，或者添加两者的顺序调换亦可。
进一步，所述步骤二的加热条件，碱木质素粉末与聚乙二醇两者在二甲基甲酰胺溶液中溶解时的加热温度为25℃-85℃。
进一步，所述步骤三的离心纺丝机的纺丝管转速为3000转/min-20000转/min，纺丝管出丝口距收丝板的距离为10cm-70cm。
进一步，所述纺丝管在纺丝时，先将纺丝液装入纺丝管中，通螺纹拧紧并固定在转子上，并保证打开开关开始旋转后纺丝管不松动，使纺丝管出丝口与收丝板的距离固定不变。
进一步，所述步聚三离心纺丝过程中，整体的环境温度控制在25℃-35℃，环境相对湿度为20-80RH％。
本发明方法制备得到的木质素基纤维也在本发明的保护范围内。
通过大量实验，结合其结果，发明人发现在三个步骤中，碱木质素粉末的比例、聚乙二醇的比例、纺丝管的转速、纺丝管出丝口与收丝板的距离是关键因素。不同的碱木质素粉末和聚乙二醇的量会影响纺丝液的粘度，粘度大时纺丝液不易从纺丝口喷出，反之则难以成纤维；纺丝管的转速决定了赋予纺丝液从纺丝口喷出的力的大小，转速越快，离心力越大，越容易纺成纤维，但过大的转速也不利于溶剂挥发，从而不利于成纤；纺丝客出丝口与收丝板的距离则影响纺丝液喷出后溶剂的挥发时间，距离较大则使溶剂较好的挥发，因而纤维成型较好。
经过控制以上关键因子，所得的木质素基纤维的直径最小可达1μm以下，这比传统的湿法纺丝、干法纺丝和熔融纺丝所得木质素基纤维的直径小的多，也相对小于由静电纺丝方法获得的木质素基纤维的直径。因此，本发明的有益效果在于通过较为简便的方法不仅可以制备得到直径较小的木质素基纤维，这不仅为制备木质素基纳米碳纤维和纳米活性碳纤维提供了较为优异的前驱体，实现木质素的高值化利用，而且本发明的方法操作方便，能耗少、效率高，具有较好的工业应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的碱木质素基纤维的扫描电镜图。
图2为本发明实施例2制备的碱木质素基纤维的扫描电镜图。
图3为本发明实施例3制备的碱木质素基纤维的扫描电镜图。
图4为本发明实施例4制备的碱木质素基纤维的扫描电镜图。
图5为本发明对比例1制备的碱木质素基纤维的扫描电镜图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，实施例中，加入的各原料除特别说明外，均为市售常规原料。
实施例1
将制浆造纸黑液粉末与适量的水混合搅拌，搅拌均匀后用孔径为10～15μm的定性滤纸过滤，去除黑液中的不溶物。取过滤后的滤液分多次加入硫酸，直至溶液的pH值调节为2左右，再用磁力搅拌器搅拌30min，然后采用低速离心机离心分离得到沉淀，将所得沉淀冷冻干燥，最后再研磨通过100目筛子即可得到用于配制纺丝液的碱木质素粉末。
将碱木质素粉末溶解于一定量的二甲基甲酰胺溶液中，再加入聚乙二醇(基于碱木质素粉末质量的2％)，并用二甲基甲酰胺溶液将碱木质素粉末与聚乙二醇的质量分数调整到50％，在加热温度为60℃条件下磁力搅拌30min，得到制备碱木质素基纤维的纺丝液。随后，将纺丝液加入离心纺丝机的纺丝管中，调节纺丝转速为8000转/min，纺丝管出丝口距收丝板的距离为35cm，并设置环境温度为30℃，相对湿度为60RH％。
采用以上条件获得的碱木质素基纤维如图1所示，通过测试随机选取的40根纤维的直径，并计算出平均值，所得碱木质素基纤维的直径为2.5μm。
实施例2
采用实施例1中的方法制备碱木质素粉末。将碱木质素粉末溶解于一定量的二甲基甲酰胺溶液中，再加入聚乙二醇(基于碱木质素粉末质量的2％)，并用二甲基甲酰胺溶液将碱木质素粉末与聚乙二醇的质量分数调整到55％，在加热温度为70℃条件下磁力搅拌30min，得到制备碱木质素基纤维的纺丝液。随后，将纺丝液加入离心纺丝机的纺丝管中，调节纺丝转速为10000转/min，纺丝管出丝口距收丝板的距离为35cm，并设置环境温度为32℃，相对湿度为45RH％。
采用以上条件获得的碱木质素基纤维如图2所示，通过测试随机选取的40根纤维的直径，并计算出平均值，所得碱木质素基纤维的直径为3.3μm。
实施例3
采用实施例1中的方法制备碱木质素粉末。将碱木质素粉末溶解于一定量的二甲基甲酰胺溶液中，再加入聚乙二醇(基于碱木质素粉末质量的1％)，并用二甲基甲酰胺溶液将碱木质素粉末与聚乙二醇的质量分数调整到55％，在加热温度为60℃条件下磁力搅拌30min，得到制备碱木质素基纤维的纺丝液。随后，将纺丝液加入离心纺丝机的纺丝管中，调节纺丝转速为12000转/min，纺丝管出丝口距收丝板的距离为50cm，并设置环境温度为30℃，相对湿度为55RH％。
采用以上条件获得的碱木质素基纤维如图3所示，通过测试随机选取的40根纤维的直径，并计算出平均值，所得碱木质素基纤维的直径为1.7μm。
实施例4
采用实施例1中的方法制备碱木质素粉末。将碱木质素粉末溶解于一定量的二甲基甲酰胺溶液中，再加入聚乙二醇(基于碱木质素粉末质量的1％)，并用二甲基甲酰胺溶液将碱木质素粉末与聚乙二醇的质量分数调整到60％，在加热温度为60℃条件下磁力搅拌30min，得到制备碱木质素基纤维的纺丝液。随后，将纺丝液加入离心纺丝机的纺丝管中，调节纺丝转速为14000转/min，纺丝管出丝口距收丝板的距离为50cm，并设置环境温度为27℃，相对湿度为70RH％。
采用以上条件获得的碱木质素基纤维如图4所示，通过测试随机选取的40根纤维的直径，并计算出平均值，所得碱木质素基纤维的直径为3.1μm。
对比例1
采用实施例1中的方法制备碱木质素粉末。将碱木质素粉末溶解于一定量的二甲基甲酰胺溶液中，再加入聚乙二醇(基于碱木质素粉末质量的1％)，并用二甲基甲酰胺溶液将碱木质素粉末与聚乙二醇的质量分数调整到35％，在加热温度为80℃条件下磁力搅拌30min，得到制备碱木质素基纤维的纺丝液。随后，将纺丝液加入静电纺丝机的纺丝管中，纺丝电压为25kV，进给速率为0.5mL/h，纺丝管出丝口距收丝板的距离为25cm，并设置环境温度为25℃，相对湿度为65RH％。
采用以上条件获得的碱木质素基纤维如图5所示，通过测试随机选取的40根纤维的直径，并计算出平均值，所得碱木质素基纤维的直径为5.1μm。
比较于实施例1、2、3和4，采用静电纺丝方法制备得到的碱木质素基纤维的直径相对更大，表明采用离心纺丝方法可以较好地降低碱木质素基纤维的直径；并且，本发明使用的纺丝液的质量分数高于静电纺丝方法的，前者的纺丝速度也大于后者的。因此，本专利的技术比较于现有常见的纺丝方法，不仅能耗少、效率高，而且获得的木质素基纤维的直径得到显著降低，具有较高的应用价值。
以上所述仅是本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，在现有技术的基础上还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均应应视为本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有较小直径的碱木质素基纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将黑液粉末与水混合，搅拌均匀后采用滤纸过滤，以去除黑液中较大颗粒不溶物；取滤液逐次加入硫酸获得沉淀，采用低速离心机离心分离得到沉淀，将所得沉淀冷冻干燥后得到碱木质素粉末；
(2)将碱木质素粉末与聚乙二醇在加热条件下按比例溶解于二甲基甲酰胺溶液中,得到制备碱木质素基纤维的纺丝液；
(3)将纺丝液加入纺丝管中,采用离心纺丝方法,调节纺丝转速,得到碱木质素基纤维。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所得碱木质素粉末是从制浆造纸黑液中采用硫酸沉淀，使用低速离心机离心分离得到沉淀，并通过冷冻干燥方法得到粉末，再使用研钵磨细至100目以上。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的聚乙二醇包括分子量从100K-600K中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的聚乙二醇质量是基于碱木质素粉末的质量，比例为0.5％-10％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的碱木质素粉末与聚乙二醇溶解在二甲基甲酰胺溶液中的质量分数为5％-70％。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，碱木质素粉末与聚乙二醇两者在二甲基甲酰胺溶液中溶解时的加热温度为25℃-85℃。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)的离心纺丝机的纺丝管转速为3000转/min-20000转/min，纺丝管出丝口距收丝板的距离为10cm-70cm。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，离心纺丝的环境温度控制在25℃-35℃，环境相对湿度为20-80RH％。
9.权利要求1-8任一所述方法制备得到的碱木质素基纤维。
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