玉米秸稈活性碳纖維生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種農(nóng)作物秸稈利用技術(shù)，即玉米秸稈活性碳纖維生產(chǎn)方法，包括熔融抽絲、氧化穩(wěn)定、絕氧碳化過程，其特點(diǎn)是：所述熔融抽絲過程是把玉米秸稈粉碎成細(xì)粉再放入搗缸，加入粘合劑，在搗缸中加熱搗爛成粘稠流體，再加熱抽絲制成原絲，待原絲干燥后放入蒸壓釜中，在100—120℃下蒸煮80—90分鐘，取出干燥定型，再送入爐內(nèi)在絕氧條件下加溫到1100—1200℃，碳化90—120分鐘，即成為碳纖維。其有益效果是：生產(chǎn)的碳纖維強(qiáng)度及彈性模量適中，內(nèi)部空隙度高，比表面積大，吸附性能、殺菌功能以及紅外發(fā)射功能非常突出，可與和棉、毛、絨混紡，制成具有吸附、殺菌、除味、發(fā)射紅外等功能的高檔服裝面料，可大幅增加玉米秸稈的附加值，增加農(nóng)民收入，促進(jìn)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
【專利說明】玉米秸稈活性碳纖維生產(chǎn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種農(nóng)作物秸桿利用技術(shù)，即玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖 維。碳纖維比重小，強(qiáng)度高，不銹蝕，是替代鋼鐵以及多種礦物質(zhì)纖維的新型材料。可是，由 于目前人類還沒有完全掌握碳纖維的形成規(guī)律，還不能用純碳直接生產(chǎn)碳纖維，只能以含 碳有機(jī)物如聚丙烯晴、浙青、煤焦油等少數(shù)化工產(chǎn)品或石油產(chǎn)品為原料生產(chǎn)碳纖維。由于資 源有限，碳纖維產(chǎn)品造價(jià)昂貴，僅能在飛機(jī)、導(dǎo)彈、高爾夫球桿等高附加值產(chǎn)品上應(yīng)用，難以 普及推廣。因此，開發(fā)新的廉價(jià)原料，成為碳纖維研發(fā)的主攻方向。眾所周知，玉米秸桿含 木質(zhì)素和碳纖維的總量達(dá)70%以上，是一種產(chǎn)量大、成本低且可再生的碳源材料。目前，玉 米秸桿除了少量用于飼料、燃料之外，還有相當(dāng)部分被廢棄或集中焚燒，成為污染環(huán)境、弓丨 發(fā)火災(zāi)及航空事故的安全隱患。如果能把玉米結(jié)桿用于碳纖維的制造，意義十分重大。可 是，按照目前碳纖維的生產(chǎn)方法，必須把原料通過熔融制取原絲，再經(jīng)氧化穩(wěn)定、絕氧高溫 碳化及石墨化，才能制成碳纖維。而玉米秸桿的燃點(diǎn)很低，且不易液化，不能像聚丙烯晴、浙 青、煤焦油那樣熔融造絲，不能為碳化及石墨化提供原絲材料，因而還沒有采用玉米秸桿制 取碳纖維的報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種以玉米秸桿為原料制取碳纖維的方法及一類玉米秸桿 碳纖維生產(chǎn)的紡織品。
[0004] 上述目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：研制一種玉米秸桿碳纖維生產(chǎn)方法，包括熔 融抽絲、氧化穩(wěn)定、絕氧碳化過程，其特點(diǎn)是：所述熔融抽絲過程是把玉米秸桿粉碎成細(xì)粉 再放入搗缸，加入粘合劑，在搗缸中加熱搗爛成粘稠流體，再加熱抽絲制成原絲，待原絲干 燥后放入蒸壓釜中，在100- 120°c下蒸煮80- 90分鐘，取出干燥定型，再送入爐內(nèi)在絕氧 條件下加溫到1100- 1200°C，碳化90-120分鐘，即成為碳纖維。
[0005] 所述的粘合劑是煤焦油、浙青、羧甲基纖維素、淀粉膠之一。
[0006] 所述煤焦油與乙醇按重量的1:0. 5 - 0. 8稀釋后，以秸桿重量的5 - 8%與秸桿混 合。用羧甲基纖維素與水按重量的1:2 - 3混合，取秸桿重量的7 -10%與秸桿混合。浙青 與二硫化碳按1:0. 2 - 0. 4混合，取秸桿重量的4一6%與秸桿混合。淀粉膠與35 %的聚乙 烯醇溶液調(diào)成糊狀，取秸桿重量的10 -15%與秸桿混合。
[0007] 所述玉米秸桿粉碎的細(xì)粉，在放入搗缸前，先與液化劑混合液化，所述液化劑是由 氯苯和30%的火堿溶液以1:3- 4的重量比在0. 5- 0. 8MPa及120- 150°C下合成，再以硫 酸液調(diào)PH值3. 5-4配成，秸桿細(xì)粉：液化劑=3-4:1-1. 5，攪拌均勻，120°C蒸汽熏蒸30 分鐘后再放入搗缸。
[0008] 所述加熱抽絲的同時(shí)，向抽出的原絲噴霧防粘劑，防粘劑是按重量份由蒸餾水 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] 所述碳纖維在絕氧條件下繼續(xù)升溫到2000- 2300°C，保持60-80分鐘，即成為活 性碳纖維。
[0010] 把活性碳纖維在冷浴下浸入30%的硫酸溶液處理10 - 20秒，送入高壓釜，打入氫 氣，蒸汽加壓〇. 5-0. 8MPa下處理60-80分鐘，減壓后加入膠凝劑及潤(rùn)滑酯攪拌加壓0. 8- IMPa在80 - 1KTC下保持25- 30分鐘，在經(jīng)70- 80°C下水洗烘干制成柔軟絨狀活性碳纖 維。
[0011] 所述加入的膠凝劑是碳纖維質(zhì)量的〇. 5 - 5%，加入的潤(rùn)滑酯是碳纖維質(zhì)量的1 一 3%。
[0012] 所述膠凝劑是羧甲基纖維素、淀粉膠、尿醛樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、有機(jī)硅 樹脂之一。
[0013] 所述潤(rùn)滑脂是按照重量份由乳化硅油2- 3份，十二羥基硬脂酸4一5份，乙醇5- 6份混合而成。
[0014] 所述柔軟絨狀碳纖維與羊絨混紡得到輕質(zhì)高強(qiáng)絨紗。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：生產(chǎn)的碳纖維強(qiáng)度及彈性模量適中，內(nèi)部空隙度高，比表面 積大，吸附性能、殺菌功能以及紅外發(fā)射功能非常突出，可與和棉、毛、絨混紡，制成具有吸 附、殺菌、除味、發(fā)射紅外等功能的高檔服裝面料，可大幅增加玉米秸桿的附加值，增加農(nóng)民 收入，促進(jìn)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
[0016] 實(shí)施方式
[0017] 本發(fā)明總的構(gòu)思是把玉米秸桿經(jīng)粉碎縮合制成原絲，再經(jīng)穩(wěn)定、碳化制成碳纖維。 下面圍繞這一構(gòu)思介紹四種實(shí)施例：
[0018] 第一種實(shí)施例：選用干燥玉米秸桿，木質(zhì)素含量22%以上、纖維素含量34%以上， 半纖維素含量37 %以上，粉碎成細(xì)粉，過40目篩，放入搗缸，加入粘合劑溶液，粘合劑可選 用煤焦油、羧甲基纖維素、浙青、淀粉膠之一。其中煤焦油與乙醇按重量的1:0. 5-0. 8稀釋 后，以秸桿重量的5 - 8%與秸桿混合。用羧甲基纖維素與水按重量的1:2 - 3混合，取秸桿 重量的7 -10 %與秸桿混合。浙青與二硫化碳按1:0. 2 - 0. 4混合，取秸桿重量的4一6 % 與秸桿混合。淀粉膠與35%的聚乙烯醇溶液調(diào)成糊狀，取秸桿重量的10 -15%。在搗缸中 邊搗邊加熱到50- 60°C，搗爛成粘稠流體狀，再送入漏孔直徑為0. 8 - 1mm的抽絲爐，溫度 在80- 100°C下抽絲，抽絲經(jīng)過烘干即成原絲。把原絲放入蒸壓釜中，在100- 120°C下蒸煮 80- 90分鐘，取出干燥定型。再送入碳化爐內(nèi)，在絕氧或充氮排氧的條件下，以0. 5°C /分 鐘的升溫速率緩慢加熱，加溫到1100- 1200°C，碳化90-120分鐘，即成為碳纖維。其拉伸 強(qiáng)度達(dá)700- 800MPa，彈性模量達(dá)61-69GPa。
[0019] 將制成的碳纖維在絕氧條件下繼續(xù)升溫到2000- 2300°C，保持60- 80分鐘， 即成為活性碳纖維。纖維的單絲直徑為10-30um，抗張強(qiáng)度為900-1200MPa，彈性模量為 80-100GPa。比表面積達(dá)到 2500- 3000m2/g。
[0020] 上述方法制成的活性碳纖維，強(qiáng)度指標(biāo)能夠滿足紡織業(yè)的要求，生產(chǎn)成本顯著降 低，特別適于和棉、毛、絨混紡，制作高檔服裝。其中與羊絨以11 一 14:86- 89的比例混紡， 織成的羊絨衫即保持了羊絨衫的柔軟、滑順、保溫的特色以外，還增加了挺實(shí)、蓬松的特 點(diǎn)，避免了原有的羊絨衫容易松懈的弊端。特別是保持了活性碳的吸附、凈化、殺菌、消毒、 除味等優(yōu)點(diǎn)，其微孔結(jié)構(gòu)還是紅外線的良好發(fā)生體，具有明顯的保溫保健效果。由于活性碳 纖維織入了面料，不會(huì)脫落，不怕清洗，可以長(zhǎng)期保持活性碳的性能，這與活性碳顆粒紡入 面料的現(xiàn)有技術(shù)相比，顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
[0021] 第二種實(shí)施例：抽絲前的過程與第一種實(shí)施例相同，在抽絲的同時(shí)，為了防止粘 連，向抽出的原絲噴灑霧狀的防粘劑，防粘劑是按重量份由蒸餾水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。再把原絲放入蒸壓釜中，在100- 120°C下蒸煮80- 90分鐘，取出干燥定型。再送入碳化爐內(nèi)，在絕氧或充氮排氧的條件下， 以0. 5°C /分鐘的升溫速率緩慢加熱，加溫到1100- 1200°C，碳化90-120分鐘，即成為碳 纖維。再把碳纖維在絕氧條件下繼續(xù)升溫到2000- 2300°C，保持60-80分鐘，制成為活性 碳纖維。
[0022] 為了使碳纖維更加柔軟且具有更好的韌性和彈性，可對(duì)制取的活性碳纖維進(jìn)行適 度的還原反應(yīng)，再把活性碳纖維在冷浴下浸入30%的硫酸溶液處理10 - 20秒，送入蒸壓 釜，打入還原劑。還原劑推薦采用氫氣，也可以用硫化氫、溴化氫、碘化氫代替氫氣。使用 氫氣應(yīng)在加入蒸汽之前加入，壓力止于0. 3MPa以內(nèi)，與碳纖維混合15 -20分鐘后，再充入 蒸汽，加壓0. 5- 0. 8MPa，處理60- 80分鐘。減壓后加入碳纖維質(zhì)量0. 5- 5%的膠凝劑及 1 一 3%的潤(rùn)滑酯。膠凝劑采用羧甲基纖維素、淀粉膠、尿醛樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、 有機(jī)硅樹脂之一。加入的潤(rùn)滑脂是由按重量份乳化硅油2- 3份、十二羥基硬脂酸4一5份、 乙醇5- 6份混合而成。把膠凝劑、潤(rùn)滑脂與物料攪拌后蒸汽加壓0. 8- IMPa，減壓降溫在 80- 110°C下保持25- 30分鐘，在經(jīng)70-80°C下水洗烘干制成柔軟絨狀活性碳纖維。這里 的碳纖維浸入硫酸的作用是使其發(fā)生還原反應(yīng)，硫酸冷浴可將硫酸的容器置于冷水或其他 循環(huán)的冷卻介質(zhì)當(dāng)中，也可以采取其他的方式，其作用是把碳纖維與硫酸接觸后產(chǎn)生的熱 量帶走，使還原反應(yīng)僅在碳纖維的表面輕微的進(jìn)行。
[0023] 經(jīng)過處理的碳纖維的內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生了微妙的變化，碳纖維表面孔隙增大增多， 纖維變得非常柔軟，其物理性狀接近羊絨，其抗張強(qiáng)度為800-1000MPa，彈性模量為 70-90GPa，比表面積達(dá)到2800- 3000m2/g。其強(qiáng)度雖比未經(jīng)還原處理的產(chǎn)品有所下降，但 用于紡織還是綽綽有余。實(shí)驗(yàn)中把這種絨狀體活性碳纖維與羊絨混紡得到輕質(zhì)高強(qiáng)絨紗， 即保持了羊絨的手感及保溫性能，又具有羊絨所沒有的韌性和彈性，即依附于人體，又具有 本身的蓬松造型，不像羊絨那樣松懈無形。
[0024] 大量實(shí)驗(yàn)及有關(guān)專業(yè)部門檢測(cè)結(jié)果證明：這種活性碳纖維和羊毛、羊絨混紡制成 的羊毛衫和羊絨衫，其吸附性能、殺菌性能及除味性能非常顯著，其特殊的微孔結(jié)構(gòu)透光性 頗佳，在陽(yáng)光照射下迅速滅殺或分解吸附細(xì)菌和異味分子。此外，活性碳纖維所發(fā)射的遠(yuǎn)紅 外波與人體發(fā)射的波長(zhǎng)范圍十分吻合，同比體溫增幅可達(dá)〇. 9°C，且具有高溫可散熱，低溫 可保溫的溫度調(diào)節(jié)性功能。
[0025] 第三種實(shí)施例：把前述活性碳纖維送入石墨爐，在絕氧條件下繼續(xù)升溫到3000- 3200°C，保持120-150分鐘，所得碳纖維的得碳率進(jìn)一步提高，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到石墨化碳 纖維的標(biāo)準(zhǔn)。在爐具性能許可的情況下，纖維的碳火、活化和石墨化過程也可在同一碳化爐 內(nèi)完成。
[0026] 第四種實(shí)施例：選用干燥玉米秸桿，木質(zhì)素含量22%以上、纖維素含量34%以上， 半纖維素含量37%以上，粉碎成細(xì)粉，過40目篩，把篩選的秸桿細(xì)粉與液化劑混合液化。
【權(quán)利要求】
1. 一種玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，包括熔融抽絲、氧化穩(wěn)定、絕氧碳化過程，其特 征在于：所述熔融抽絲過程是把玉米秸桿粉碎成細(xì)粉再放入搗缸，加入粘合劑，在搗缸中加 熱搗爛成粘稠流體，再加熱抽絲制成原絲，待原絲干燥后放入蒸壓釜中，在1〇〇 - 120°c下熱 蒸80- 90分鐘，取出干燥定型，再送入爐內(nèi)在絕氧條件下加溫到1100- 1200°C，碳化90- 120分鐘，即成為碳纖維。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述的粘合劑 是煤焦油、浙青、羧甲基纖維素、淀粉膠之一。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述煤焦油與 乙醇按重量的1:0. 5- 0. 8稀釋后，以秸桿重量的5- 8%與秸桿混合；所述羧甲基纖維素 與水按重量的1:2- 3混合，取秸桿重量的7-10 %與秸桿混合；所述浙青與二硫化碳按 1:0. 2-0. 4混合，取秸桿重量的4一6 %與秸桿混合；所述淀粉膠與35 %的聚乙烯醇溶液調(diào) 成糊狀，取結(jié)桿重量的10 -15 %與結(jié)桿混合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述玉米秸桿 粉碎的細(xì)粉，在放入搗缸前，先與液化劑混合液化，所述液化劑是由氯苯和30%的火堿溶液 以1:3- 4的重量比在0. 5- 0. 8MPa及120-150°C下合成，再以硫酸液調(diào)PH值3. 5- 4配 成，秸桿細(xì)粉：液化劑=3- 4:1 一 1.5,攪拌均勻，120°C蒸汽熏蒸30分鐘后再放入搗缸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述加熱抽絲 的同時(shí)，向抽出的原絲噴霧防粘劑，防粘劑是按重量份由蒸餾水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. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述碳纖維在 絕氧條件下繼續(xù)升溫到2000- 2300°C，保持60- 80分鐘，即成為活性碳纖維。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述活性碳纖 維在冷浴下浸入30 %的硫酸溶液處理10 - 20秒，送入高壓釜，打入氫氣，蒸汽加壓0. 5- 0. 8MPa下處理60-80分鐘，減壓后加入膠凝劑及潤(rùn)滑酯攪拌加壓0. 8 - IMPa在80 - 110°C 下保持25- 30分鐘，在經(jīng)70- 80°C下水洗烘干制成柔軟絨狀活性碳纖維。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述加入的膠 凝劑是碳纖維質(zhì)量的〇. 5 - 5%，加入的潤(rùn)滑酯是碳纖維質(zhì)量的1 一3%。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的農(nóng)作物秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述膠凝劑 是羧甲基纖維素、淀粉膠、尿醛樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、有機(jī)硅樹脂之一。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的玉米秸桿活性碳纖維生產(chǎn)方法，其特征在于：所述潤(rùn)滑脂是 按照重量份由乳化硅油2- 3份，十二羥基硬脂酸4一5份，乙醇5- 6份混合而成。
【文檔編號(hào)】C01B31/08GK104085890SQ201410335637
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】李文軍 申請(qǐng)人:李文軍