玉米秸秆活性碳纤维生产方法
【专利摘要】本发明涉及一种农作物秸秆利用技术，即玉米秸秆活性碳纤维生产方法，包括熔融抽丝、氧化稳定、绝氧碳化过程，其特点是：所述熔融抽丝过程是把玉米秸秆粉碎成细粉再放入捣缸，加入粘合剂，在捣缸中加热捣烂成粘稠流体，再加热抽丝制成原丝，待原丝干燥后放入蒸压釜中，在100—120℃下蒸煮80—90分钟，取出干燥定型，再送入炉内在绝氧条件下加温到1100—1200℃，碳化90—120分钟，即成为碳纤维。其有益效果是：生产的碳纤维强度及弹性模量适中，内部空隙度高，比表面积大，吸附性能、杀菌功能以及红外发射功能非常突出，可与和棉、毛、绒混纺，制成具有吸附、杀菌、除味、发射红外等功能的高档服装面料，可大幅增加玉米秸秆的附加值，增加农民收入，促进碳纤维产业的发展。
【专利说明】玉米秸秆活性碳纤维生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种农作物秸杆利用技术，即玉米秸杆活性碳纤维生产方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤 维。碳纤维比重小，强度高，不锈蚀，是替代钢铁以及多种矿物质纤维的新型材料。可是，由 于目前人类还没有完全掌握碳纤维的形成规律，还不能用纯碳直接生产碳纤维，只能以含 碳有机物如聚丙烯晴、浙青、煤焦油等少数化工产品或石油产品为原料生产碳纤维。由于资 源有限，碳纤维产品造价昂贵，仅能在飞机、导弹、高尔夫球杆等高附加值产品上应用，难以 普及推广。因此，开发新的廉价原料，成为碳纤维研发的主攻方向。众所周知，玉米秸杆含 木质素和碳纤维的总量达70%以上，是一种产量大、成本低且可再生的碳源材料。目前，玉 米秸杆除了少量用于饲料、燃料之外，还有相当部分被废弃或集中焚烧，成为污染环境、弓丨 发火灾及航空事故的安全隐患。如果能把玉米結杆用于碳纤维的制造，意义十分重大。可 是，按照目前碳纤维的生产方法，必须把原料通过熔融制取原丝，再经氧化稳定、绝氧高温 碳化及石墨化，才能制成碳纤维。而玉米秸杆的燃点很低，且不易液化，不能像聚丙烯晴、浙 青、煤焦油那样熔融造丝，不能为碳化及石墨化提供原丝材料，因而还没有采用玉米秸杆制 取碳纤维的报道。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种以玉米秸杆为原料制取碳纤维的方法及一类玉米秸杆 碳纤维生产的纺织品。
[0004] 上述目的是由以下技术方案实现的：研制一种玉米秸杆碳纤维生产方法，包括熔 融抽丝、氧化稳定、绝氧碳化过程，其特点是：所述熔融抽丝过程是把玉米秸杆粉碎成细粉 再放入捣缸，加入粘合剂，在捣缸中加热捣烂成粘稠流体，再加热抽丝制成原丝，待原丝干 燥后放入蒸压釜中，在100- 120°c下蒸煮80- 90分钟，取出干燥定型，再送入炉内在绝氧 条件下加温到1100- 1200°C，碳化90-120分钟，即成为碳纤维。
[0005] 所述的粘合剂是煤焦油、浙青、羧甲基纤维素、淀粉胶之一。
[0006] 所述煤焦油与乙醇按重量的1:0. 5 - 0. 8稀释后，以秸杆重量的5 - 8%与秸杆混 合。用羧甲基纤维素与水按重量的1:2 - 3混合，取秸杆重量的7 -10%与秸杆混合。浙青 与二硫化碳按1:0. 2 - 0. 4混合，取秸杆重量的4一6%与秸杆混合。淀粉胶与35 %的聚乙 烯醇溶液调成糊状，取秸杆重量的10 -15%与秸杆混合。
[0007] 所述玉米秸杆粉碎的细粉，在放入捣缸前，先与液化剂混合液化，所述液化剂是由 氯苯和30%的火碱溶液以1:3- 4的重量比在0. 5- 0. 8MPa及120- 150°C下合成，再以硫 酸液调PH值3. 5-4配成，秸杆细粉：液化剂=3-4:1-1. 5，搅拌均匀，120°C蒸汽熏蒸30 分钟后再放入捣缸。
[0008] 所述加热抽丝的同时，向抽出的原丝喷雾防粘剂，防粘剂是按重量份由蒸馏水 45- 50份、乳化硅油1一2份、甘油3- 4份、丙酮6-8份，在60- 70°C下混合而成。
[0009] 所述碳纤维在绝氧条件下继续升温到2000- 2300°C，保持60-80分钟，即成为活 性碳纤维。
[0010] 把活性碳纤维在冷浴下浸入30%的硫酸溶液处理10 - 20秒，送入高压釜，打入氢 气，蒸汽加压〇. 5-0. 8MPa下处理60-80分钟，减压后加入胶凝剂及润滑酯搅拌加压0. 8- IMPa在80 - 1KTC下保持25- 30分钟，在经70- 80°C下水洗烘干制成柔软绒状活性碳纤 维。
[0011] 所述加入的胶凝剂是碳纤维质量的〇. 5 - 5%，加入的润滑酯是碳纤维质量的1 一 3%。
[0012] 所述胶凝剂是羧甲基纤维素、淀粉胶、尿醛树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、有机硅 树脂之一。
[0013] 所述润滑脂是按照重量份由乳化硅油2- 3份，十二羟基硬脂酸4一5份，乙醇5- 6份混合而成。
[0014] 所述柔软绒状碳纤维与羊绒混纺得到轻质高强绒纱。
[0015] 本发明的有益效果是：生产的碳纤维强度及弹性模量适中，内部空隙度高，比表面 积大，吸附性能、杀菌功能以及红外发射功能非常突出，可与和棉、毛、绒混纺，制成具有吸 附、杀菌、除味、发射红外等功能的高档服装面料，可大幅增加玉米秸杆的附加值，增加农民 收入，促进碳纤维产业的发展。
[0016] 实施方式
[0017] 本发明总的构思是把玉米秸杆经粉碎缩合制成原丝，再经稳定、碳化制成碳纤维。 下面围绕这一构思介绍四种实施例：
[0018] 第一种实施例：选用干燥玉米秸杆，木质素含量22%以上、纤维素含量34%以上， 半纤维素含量37 %以上，粉碎成细粉，过40目筛，放入捣缸，加入粘合剂溶液，粘合剂可选 用煤焦油、羧甲基纤维素、浙青、淀粉胶之一。其中煤焦油与乙醇按重量的1:0. 5-0. 8稀释 后，以秸杆重量的5 - 8%与秸杆混合。用羧甲基纤维素与水按重量的1:2 - 3混合，取秸杆 重量的7 -10 %与秸杆混合。浙青与二硫化碳按1:0. 2 - 0. 4混合，取秸杆重量的4一6 % 与秸杆混合。淀粉胶与35%的聚乙烯醇溶液调成糊状，取秸杆重量的10 -15%。在捣缸中 边捣边加热到50- 60°C，捣烂成粘稠流体状，再送入漏孔直径为0. 8 - 1mm的抽丝炉，温度 在80- 100°C下抽丝，抽丝经过烘干即成原丝。把原丝放入蒸压釜中，在100- 120°C下蒸煮 80- 90分钟，取出干燥定型。再送入碳化炉内，在绝氧或充氮排氧的条件下，以0. 5°C /分 钟的升温速率缓慢加热，加温到1100- 1200°C，碳化90-120分钟，即成为碳纤维。其拉伸 强度达700- 800MPa，弹性模量达61-69GPa。
[0019] 将制成的碳纤维在绝氧条件下继续升温到2000- 2300°C，保持60- 80分钟， 即成为活性碳纤维。纤维的单丝直径为10-30um，抗张强度为900-1200MPa，弹性模量为 80-100GPa。比表面积达到 2500- 3000m2/g。
[0020] 上述方法制成的活性碳纤维，强度指标能够满足纺织业的要求，生产成本显著降 低，特别适于和棉、毛、绒混纺，制作高档服装。其中与羊绒以11 一 14:86- 89的比例混纺， 织成的羊绒衫即保持了羊绒衫的柔软、滑顺、保温的特色以外，还增加了挺实、蓬松的特 点，避免了原有的羊绒衫容易松懈的弊端。特别是保持了活性碳的吸附、净化、杀菌、消毒、 除味等优点，其微孔结构还是红外线的良好发生体，具有明显的保温保健效果。由于活性碳 纤维织入了面料，不会脱落，不怕清洗，可以长期保持活性碳的性能，这与活性碳颗粒纺入 面料的现有技术相比，显示出独特的优势。
[0021] 第二种实施例：抽丝前的过程与第一种实施例相同，在抽丝的同时，为了防止粘 连，向抽出的原丝喷洒雾状的防粘剂，防粘剂是按重量份由蒸馏水45- 50份、乳化硅油1 一 2份、甘油3-4份、丙酮6-8份，在60-70°C下混合而成。再把原丝放入蒸压釜中，在100- 120°C下蒸煮80- 90分钟，取出干燥定型。再送入碳化炉内，在绝氧或充氮排氧的条件下， 以0. 5°C /分钟的升温速率缓慢加热，加温到1100- 1200°C，碳化90-120分钟，即成为碳 纤维。再把碳纤维在绝氧条件下继续升温到2000- 2300°C，保持60-80分钟，制成为活性 碳纤维。
[0022] 为了使碳纤维更加柔软且具有更好的韧性和弹性，可对制取的活性碳纤维进行适 度的还原反应，再把活性碳纤维在冷浴下浸入30%的硫酸溶液处理10 - 20秒，送入蒸压 釜，打入还原剂。还原剂推荐采用氢气，也可以用硫化氢、溴化氢、碘化氢代替氢气。使用 氢气应在加入蒸汽之前加入，压力止于0. 3MPa以内，与碳纤维混合15 -20分钟后，再充入 蒸汽，加压0. 5- 0. 8MPa，处理60- 80分钟。减压后加入碳纤维质量0. 5- 5%的胶凝剂及 1 一 3%的润滑酯。胶凝剂采用羧甲基纤维素、淀粉胶、尿醛树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、 有机硅树脂之一。加入的润滑脂是由按重量份乳化硅油2- 3份、十二羟基硬脂酸4一5份、 乙醇5- 6份混合而成。把胶凝剂、润滑脂与物料搅拌后蒸汽加压0. 8- IMPa，减压降温在 80- 110°C下保持25- 30分钟，在经70-80°C下水洗烘干制成柔软绒状活性碳纤维。这里 的碳纤维浸入硫酸的作用是使其发生还原反应，硫酸冷浴可将硫酸的容器置于冷水或其他 循环的冷却介质当中，也可以采取其他的方式，其作用是把碳纤维与硫酸接触后产生的热 量带走，使还原反应仅在碳纤维的表面轻微的进行。
[0023] 经过处理的碳纤维的内部构造发生了微妙的变化，碳纤维表面孔隙增大增多， 纤维变得非常柔软，其物理性状接近羊绒，其抗张强度为800-1000MPa，弹性模量为 70-90GPa，比表面积达到2800- 3000m2/g。其强度虽比未经还原处理的产品有所下降，但 用于纺织还是绰绰有余。实验中把这种绒状体活性碳纤维与羊绒混纺得到轻质高强绒纱， 即保持了羊绒的手感及保温性能，又具有羊绒所没有的韧性和弹性，即依附于人体，又具有 本身的蓬松造型，不像羊绒那样松懈无形。
[0024] 大量实验及有关专业部门检测结果证明：这种活性碳纤维和羊毛、羊绒混纺制成 的羊毛衫和羊绒衫，其吸附性能、杀菌性能及除味性能非常显著，其特殊的微孔结构透光性 颇佳，在阳光照射下迅速灭杀或分解吸附细菌和异味分子。此外，活性碳纤维所发射的远红 外波与人体发射的波长范围十分吻合，同比体温增幅可达〇. 9°C，且具有高温可散热，低温 可保温的温度调节性功能。
[0025] 第三种实施例：把前述活性碳纤维送入石墨炉，在绝氧条件下继续升温到3000- 3200°C，保持120-150分钟，所得碳纤维的得碳率进一步提高，各项指标均达到石墨化碳 纤维的标准。在炉具性能许可的情况下，纤维的碳火、活化和石墨化过程也可在同一碳化炉 内完成。
[0026] 第四种实施例：选用干燥玉米秸杆，木质素含量22%以上、纤维素含量34%以上， 半纤维素含量37%以上，粉碎成细粉，过40目筛，把筛选的秸杆细粉与液化剂混合液化。
【权利要求】
1. 一种玉米秸杆活性碳纤维生产方法，包括熔融抽丝、氧化稳定、绝氧碳化过程，其特 征在于：所述熔融抽丝过程是把玉米秸杆粉碎成细粉再放入捣缸，加入粘合剂，在捣缸中加 热捣烂成粘稠流体，再加热抽丝制成原丝，待原丝干燥后放入蒸压釜中，在1〇〇 - 120°c下热 蒸80- 90分钟，取出干燥定型，再送入炉内在绝氧条件下加温到1100- 1200°C，碳化90- 120分钟，即成为碳纤维。
2. 根据权利要求1所述的玉米秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述的粘合剂 是煤焦油、浙青、羧甲基纤维素、淀粉胶之一。
3. 根据权利要求2所述的玉米秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述煤焦油与 乙醇按重量的1:0. 5- 0. 8稀释后，以秸杆重量的5- 8%与秸杆混合；所述羧甲基纤维素 与水按重量的1:2- 3混合，取秸杆重量的7-10 %与秸杆混合；所述浙青与二硫化碳按 1:0. 2-0. 4混合，取秸杆重量的4一6 %与秸杆混合；所述淀粉胶与35 %的聚乙烯醇溶液调 成糊状，取結杆重量的10 -15 %与結杆混合。
4. 根据权利要求1所述的玉米秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述玉米秸杆 粉碎的细粉，在放入捣缸前，先与液化剂混合液化，所述液化剂是由氯苯和30%的火碱溶液 以1:3- 4的重量比在0. 5- 0. 8MPa及120-150°C下合成，再以硫酸液调PH值3. 5- 4配 成，秸杆细粉：液化剂=3- 4:1 一 1.5,搅拌均匀，120°C蒸汽熏蒸30分钟后再放入捣缸。
5. 根据权利要求1所述的玉米秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述加热抽丝 的同时，向抽出的原丝喷雾防粘剂，防粘剂是按重量份由蒸馏水45- 50份、乳化硅油1一2 份、甘油3-4份、丙酮6-8份，在60- 70°C下混合而成。
6. 根据权利要求1所述的玉米秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述碳纤维在 绝氧条件下继续升温到2000- 2300°C，保持60- 80分钟，即成为活性碳纤维。
7. 根据权利要求6所述的玉米秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述活性碳纤 维在冷浴下浸入30 %的硫酸溶液处理10 - 20秒，送入高压釜，打入氢气，蒸汽加压0. 5- 0. 8MPa下处理60-80分钟，减压后加入胶凝剂及润滑酯搅拌加压0. 8 - IMPa在80 - 110°C 下保持25- 30分钟，在经70- 80°C下水洗烘干制成柔软绒状活性碳纤维。
8. 根据权利要求7所述的玉米秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述加入的胶 凝剂是碳纤维质量的〇. 5 - 5%，加入的润滑酯是碳纤维质量的1 一3%。
9. 根据权利要求8所述的农作物秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述胶凝剂 是羧甲基纤维素、淀粉胶、尿醛树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂之一。
10. 根据权利要求8所述的玉米秸杆活性碳纤维生产方法，其特征在于：所述润滑脂是 按照重量份由乳化硅油2- 3份，十二羟基硬脂酸4一5份，乙醇5- 6份混合而成。
【文档编号】C01B31/08GK104085890SQ201410335637
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】李文军 申请人:李文军