本发明涉及化工及材料技术领域，尤其涉及一种木质素基碳纤维的制备方法。
背景技术：
碳纤维是含碳量在90 ％以上的纤维状材料，具有多种类型，其高强度、高模量制作各种复合材料，可用于结构材料使用，具有广泛用途，然而碳纤维材料的原料主要依赖于化石资源，因此随着人们环保意识的增强及化石资源的逐渐枯竭，研究热点逐渐转向利用可再生资源替代化石资源制备碳纤维的领域。其中木质素为植物中的三大成份之一，在多数植物中含量约占15 ～ 30％，残碳量高，因而可以制作多种碳材料，对国民经济发展具有极为重要的战略意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供了一种木质素基碳纤维的制备方法，采用木质素制备碳纤维，原料来源广泛，生产成本低，且碳纤维性能优异。
本发明针对上述技术缺陷所采用的技术方案是：
一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤：
a、木质素预处理：对于酸性木质素直接溶于60-100倍体积的有机溶剂中进行过滤，其后在110-120℃下真空干燥4-6h，备用，另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤，再用酸性调节剂进行酸洗、浓缩并干燥，其后再将干燥后的木质素溶于60-100倍体积的有机溶剂中进行二次过滤，最后在80-100℃下真空干燥8-10h；
b、纺丝原液配制：将步骤a预处理过的木质素加入60-80倍体积的有机合成剂中搅拌均匀，并在惰性气体形成的氛围下从室温加热至120-150℃，反应时间为1-2h；
c、纤维原丝生成：在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种，并在惰性气体形成的氛围下进行熔融纺丝，纺丝温度为50-65℃，即得纤维原丝；
d、纤维预氧化：将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化，预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温，且每次升温的增幅不超过50%；
e、纤维碳化：将经步骤d预氧化过的纤维在惰性气体形成的氛围下加热碳化，从室温升温至600-1000℃，且升温的速率为1℃ -2℃ /min；
f、纤维石墨化：将经步骤e碳化过的纤维在惰性气体形成的氛围下加热石墨化，加热温度为1500-2500℃，即可得到木质素基碳纤维。
进一步地，步骤a中所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的任意一种，所述酸性调节剂为硫酸、盐酸、磷酸中的任意一种。
进一步地，步骤a中所述有机合成剂为乙二醇。
进一步地，步骤d中所述5次升温的具体操作如下：第一次升温从35℃至52℃，升温时间为10-20min；第二次升温从52℃至78℃，升温时间为10-15min；第三次升温从78℃至116℃，升温时间为6-10min；第四次升温从116℃至175℃，升温时间为4-8min；第二次升温从175℃至250℃，升温时间为2-3min。
进一步地，步骤b-f中任意一项所述的惰性气体为氦气、氩气、氖气中任意一种或一种以上的组合。
进一步地，步骤b-f中任意一项所述的惰性气体形成的氛围的压力为减压状态。
本发明的有益效果是：本发明在用木质素制备碳纤维前增加预处理步骤，使得木质素的纺丝性能提高，且在纺丝过程中采用醇类有机溶剂，相较于传统的有机溶剂，污染小，绿色环保，而且在整个制备过程中，除了纤维的预氧化处理，其余处理均在惰性气体形成的保护氛围下操作，工艺简单，易于控制，使得制备出来的木质素基碳纤维的性能优异，木质素纤维的利用率也大大提高，成本投入低，有利于提高经济效益和社会效益。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。
实施例1
一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤：
a、木质素预处理：对于酸性木质素直接溶于60倍体积的甲醇中进行过滤，其后在110℃下真空干燥4h，备用，另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤，再用硫酸进行酸洗、浓缩并干燥，优选的硫酸浓度为75%，其后再将干燥后的木质素溶于60倍体积的甲醇中进行二次过滤，最后在80℃下真空干燥8h；
b、纺丝原液配制：将步骤a预处理过的木质素加入60倍体积的乙二醇中搅拌均匀，并在氦气形成的氛围且为减压状态下从室温加热至120℃，反应时间为1h；
c、纤维原丝生成：在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种，并在氦气形成的氛围且为减压状态下进行熔融纺丝，纺丝温度为50℃，即得纤维原丝；
d、纤维预氧化：将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化，预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温，且每次升温的增幅不超过50%，5次升温的具体操作如下：第一次升温从35℃至52℃，升温时间为10min；第二次升温从52℃至78℃，升温时间为10min；第三次升温从78℃至116℃，升温时间为6min；第四次升温从116℃至175℃，升温时间为4min；第二次升温从175℃至250℃，升温时间为2min；
e、纤维碳化：将经步骤d预氧化过的纤维在氦气形成的氛围且为减压状态下加热碳化，从室温升温至600℃，且升温的速率为1℃/min；
f、纤维石墨化：将经步骤e碳化过的纤维在氦气形成的氛围且为减压状态下加热石墨化，加热温度为1500℃，即可得到木质素基碳纤维。
实施例2
一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤：
a、木质素预处理：对于酸性木质素直接溶于80倍体积的乙醇中进行过滤，其后在120℃下真空干燥5h，备用，另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤，再用盐酸进行酸洗、浓缩并干燥，优选的盐酸浓度为36%，其后再将干燥后的木质素溶于80倍体积的乙醇中进行二次过滤，最后在90℃下真空干燥9h；
b、纺丝原液配制：将步骤a预处理过的木质素加入70倍体积的乙二醇中搅拌均匀，并在氩气形成的氛围且为减压状态下从室温加热至140℃，反应时间为2h；
c、纤维原丝生成：在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种，并在氩气形成的氛围且为减压状态下进行熔融纺丝，纺丝温度为60℃，即得纤维原丝；
d、纤维预氧化：将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化，预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温，且每次升温的增幅不超过50%，5次升温的具体操作如下：第一次升温从35℃至52℃，升温时间为15min；第二次升温从52℃至78℃，升温时间为13min；第三次升温从78℃至116℃，升温时间为8min；第四次升温从116℃至175℃，升温时间为6min；第二次升温从175℃至250℃，升温时间为2min；
e、纤维碳化：将经步骤d预氧化过的纤维在氩气形成的氛围且为减压状态下加热碳化，从室温升温至800℃，且升温的速率为1℃/min；
f、纤维石墨化：将经步骤e碳化过的纤维在氩气形成的氛围且为减压状态下加热石墨化，加热温度为2000℃，即可得到木质素基碳纤维。
实施例3
一种木质素基碳纤维的制备方法,包括如下步骤：
a、木质素预处理：对于酸性木质素直接溶于100倍体积的异丙醇中进行过滤，其后在120℃下真空干燥6h，备用，另外对于碱性木质素要在酸洗前进行一次过滤，再用磷酸进行酸洗、浓缩并干燥，优选的磷酸浓度为85%，其后再将干燥后的木质素溶于100倍体积的异丙醇中进行二次过滤，最后在100℃下真空干燥10h；
b、纺丝原液配制：将步骤a预处理过的木质素加入80倍体积的乙二醇中搅拌均匀，并在氖气形成的氛围且为减压状态下从室温加热至150℃，反应时间为2h；
c、纤维原丝生成：在经步骤b处理得到的纺丝原液中加入山梨醇、乙二胺或三羟甲基丙烷中的任意一种，并在氖气形成的氛围且为减压状态下进行熔融纺丝，纺丝温度为65℃，即得纤维原丝；
d、纤维预氧化：将得到的木质素纤维原丝置于空气中预氧化，预氧化温度从35℃升温至250℃需要经过5次升温，且每次升温的增幅不超过50%，5次升温的具体操作如下：第一次升温从35℃至52℃，升温时间为20min；第二次升温从52℃至78℃，升温时间为15min；第三次升温从78℃至116℃，升温时间为10min；第四次升温从116℃至175℃，升温时间为8min；第二次升温从175℃至250℃，升温时间为3min；
e、纤维碳化：将经步骤d预氧化过的纤维在氖气形成的氛围且为减压状态下加热碳化，从室温升温至1000℃，且升温的速率为2℃ /min；
f、纤维石墨化：将经步骤e碳化过的纤维在氖气形成的氛围且为减压状态下加热石墨化，加热温度为2500℃，即可得到木质素基碳纤维。
本发明的有益效果是：本发明在用木质素制备碳纤维前增加预处理步骤，使得木质素的纺丝性能提高，且在纺丝过程中采用醇类有机溶剂，相较于传统的有机溶剂，污染小，绿色环保，而且在整个制备过程中，除了纤维的预氧化处理，其余处理均在惰性气体形成的保护氛围下操作，工艺简单，易于控制，使得制备出来的木质素基碳纤维的性能优异，木质素纤维的利用率也大大提高，成本投入低，有利于提高经济效益和社会效益。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。