CN1182180C - 生物质衍生碳质中间相制备方法 - Google Patents

Abstract

一种生物质衍生碳质中间相制备方法，属于炭素材料和生物质资源利用领域。采用生物质资源材料作为原料，通过对生物质资源进行粉碎、与其他反应物混合并加以改性化学反应处理，再用水进行处理，然后进行后处理，最终得到具有光学各向异性的碳质中间相，具体步骤如下：生物质资源材料粉碎、与其他反应物混合，改性反应，用水进行处理，后处理。本发明通过采用生物质资源为制备材料，解决了碳质中间相材料制备以石油和煤为根本原材料所导致的来源不可持续、工艺复杂、成本高的问题，并进一步扩展了生物质资源在碳材料方面的应用范围和应用价值。

Description

生物质衍生碳质中间相制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种制备碳质中间相的方法，特别是一种生物质衍生碳质中间相制备方法，属于新材料领域。

背景技术

碳质中间相是处于高分子与碳素材料之间的一种液晶态材料，碳质中间相的重要特征之一是光学各向异性，可以清楚地由偏光显微镜观察得到。目前为止，有着重要应用前景的碳质中间相主要有中间相沥青基碳纤维和中间相碳微球，它们也是碳质中间相领域研究的热点。国际、国内都有大量关于制备中间相沥青、中间相沥青基碳纤维和中间相碳微球的专利，这些方法都是以煤沥青或石油沥青为原料，并且不可避免地要采用大量的有机溶剂。经文献检索发现，Hidemasa Honda，Carbonaceous mesophase：history and prospects(碳质中间相：历史与展望)，Carbon，Vol.26，No.2，pp.139-156，1988，该文提到以石油沥青或煤沥青等沥青为原料，其形成发生于有机材料在350℃-500℃之间的热解过程中，在此过程中，热分解和热聚合同时发生，芳香族有机物发生缩聚并沿固定方向排列，最终形成中间相球体。这些球体互相融并，形成更大的球体，最终生成块状中间相。但当这些聚集的中间相进一步热解，就会发生塑性变型而生成两种精细结构：纤维体和镶嵌体。众所周知，石油、煤是不可再生资源，有限的储量和目前日益增加的消耗量意味着其价格的不断上升和最终的资源耗竭，而且采用石油、煤作为生产碳质中间相的原材料，工艺复杂、成本高。在进一步的检索中尚未见任何以生物质资源作为碳质中间相的制备原材料应用的报导。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种生物质衍生碳质中间相制备方法，采用生物质资源为制备原料，使其解决目前碳质中间相材料制备以石油和煤为根本原材料所导致的来源不可持续、工艺复杂、成本高的问题。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用生物质资源材料及其废弃物作为原料，通过对生物质资源中的木材、禾杆、稻壳、果渣等多种天然材料进行粉碎、反应物配备、混合并加以改性化学反应处理，通过解聚和改性提高组成这些天然材料的纤维素、木质素等生物大分子的反应活性和成芳环能力，再进行溶剂处理，然后辅以后处理重整这些大分子，通过生物大分子缩合、成环、定向排列，最终得到具有光学各向异性的碳质中间相。

以下对本发明方法作进一步的限定，具体如下：

(1)生物质资源材料粉碎、反应物配备：

将生物质资源材料粉碎到一定粒度，平均粒径在1cm以下，推荐为小于1mm。反应物配备时，反应物的组成包含生物质资源材料颗粒、改性物和催化物，其反应物组成的配比(Wt.％)为：生物质资源材料颗粒14-80％(推荐为40-75％)，改性物14-65％(推荐为20-50％)，催化剂1.8-25％(推荐为2-15％)。

改性物为各种酚类和高分子醇类中的一种或任两种以上之和。

催化剂为各种质子酸中的一种或任两种以上之和。

(2)改性反应：

将按照原料组成配比配备的生物质资源颗粒、改性物、催化剂装入反应器中进行反应，反应温度为100-300℃。

加热方法可以采用微波加热，也可以采用油浴加热，化学改性的方法为酚化改性或/和羟基化改性。

(3)溶剂处理：

将改性反应的产物加入到溶剂中搅拌洗涤，得到悬浮液，将悬浮液过滤烘干，得到粉体材料。溶剂处理步骤中采用的溶剂可以只是水。

(4)后处理：

将粉体在烘箱中在100-400度温度下热处理或者微波处理一段时间。后处理方式为高温加热、高温氧化、微波处理中的一种或多种。

生物质资源是木材、禾杆、稻壳、水果渣、水果核、糖类、叶等各种由纤维素、木质素等中的一种或多种天然高分子组成的天然材料及其废弃物，或/和天然材料及其废弃物的各类衍生物，或/和纤维素或木质素的各类衍生物及其混合物。

制备得到的碳质中间相是中间相碳微球、含中间相的***结性粉末和含中间相的高分子。

碳质中间相是一种高价值的材料，在碳及相关材料的制备方面前景广阔，而且随着碳素工业的发展，其用量不断扩大，可以实现废弃生物质资源的规模化利用。本发明的来源是木材、谷类表皮、禾杆、水果、茎叶等生物质资源类物质，更经济的来源是这些生物质资源的废弃物，如废纸、木屑、非材木、稻壳、果渣、麦杆、木质素磺酸盐、碱木素等。这些物质可再生，每年的生成量都十分巨大，是可持续发展的资源。本发明在提取碳质中间相材料的过程中可以避免使用有机溶剂，而只需要水作提取溶剂，并可以控制整个过程的各个步骤都在中低温下进行(＜300℃)。因此，整个制备工艺的成本远远低于目前的中间相碳素材料的制备技术。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明采用生物质资源为原料，通过改性和后处理制备得到碳质中间相材料，解决了碳质中间相材料制备以石油和煤为根本原材料所导致的来源不可持续、工艺复杂、成本高的问题，并进一步扩展了生物质资源在碳材料方面的应用范围和应用价值。

具体实施方式

以下结合本发明的内容进一步提供实施例：

实施例一：

将400克苯酚加入到烧瓶中，然后加入10克98％的浓硫酸，搅拌均匀，在溶液中逐步加入100克木屑，混合均匀。将温度升高到100度，反应3小时，将生成的黑色粘稠液体逐步加入到水中，多次洗涤后，得到颗粒的悬浮液，将此悬浮液过滤后烘干，得到褐红色粉末。将该粉末置于微波炉中强火处理3小时后取出，细磨后保存。得到的粉末具有良好的***结性，在偏光显微镜下观察到其光学各向异性。

实施例二：

将100克苯酚加入到烧瓶中，然后加入100克98％的浓硫酸，搅拌均匀，在溶液中逐步加入200克苹果渣，混合均匀。将温度升高到200度，反应1小时。将生成的黑色粘稠液体逐步加入到水中，多次洗涤后，得到颗粒的悬浮液，将此悬浮液过滤后烘干，得到黑色粉末，将该粉末细磨后保存。得到的粉末具有良好的***结性和明显的光学各向异性。

实施例三：

将225克苯酚加入到烧瓶中，然后加入25克98％的浓硫酸，搅拌均匀，在溶液中逐步加入100克稻壳，混合均匀。将温度升高到300度，反应0.3小时。将生成的粘稠液体逐步加入到水中，多次洗涤后，得到颗粒的悬浮液，将此悬浮液过滤后烘干，得到深色粉末。将该粉末置于微波炉中中火处理0.5小时后取出，细磨后保存。得到的粉末具有良好的***结性和明显的光学各向异性，而且含有一定含量的二氧化硅。

Claims (2)

1、一种生物质衍生碳质中间相制备方法，其特征在于：采用生物质资源材料作为原料，通过对生物质资源进行粉碎、与其他反应物混合并加以改性化学反应处理，再用水进行处理，然后进行后处理，具体步骤如下：

(1)生物质资源材料粉碎、与其他反应物混合：将生物质资源材料粉碎到平均粒径在1cm以下，然后与其他反应物混合，反应物的组成包含生物质资源材料颗粒、酚类物质和浓硫酸，其反应物组成的重量百分比为：生物质资源材料颗粒14-80％，酚类物质14-65％，浓硫酸1.8-25％；

(2)改性反应：将按照反应物组成配比配备的生物质资源颗粒、酚类物质、浓硫酸装入反应器中进行反应，加热方法采用微波加热，或采用油浴加热，化学改性温度为100-300℃，化学改性的方法为酚化改性或/和羟基化改性；

(3)用水进行处理：将改性反应的产物加入到水中搅拌洗涤，得到悬浮液，将悬浮液过滤烘干，得到粉体材料；

(4)后处理：将粉体在烘箱中在100-400度温度下热处理或者微波处理。

2、根据权利要求1所述的生物质衍生碳质中间相制备方法，其特征是，生物质资源材料粉碎和其他反应物混合中，生物质资源材料粉碎粒径为小于1mm，生物质资源材料颗粒配比为反应体系总量40-75wt.％，酚类物质配比为反应体系总量20-50wt.％，浓硫酸配比为反应体系总量2-15wt.％。