静电纺丝法制备木质素纳米碳纤维的研究

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木质素是植物纤维原料主要成分之一,在自然界中蕴藏量仅次于纤维素。目前人类对木质素的利用还很不充分。由于木质素中含碳量较高(一般在55%~66%之间),因此可作为碳纤维原料进行利用。本文以乙酸木质素及碱木质素为原料制备纳米碳纤维。首先采用静电纺丝法制备乙酸木质素纳米纤维,然后通过预氧化以及碳化处理得到木质素纳米碳纤维。采用THF, DMF,乙酸三种不同的溶剂对乙酸木质素进行静电纺丝。结果表明以乙酸为溶剂可以得到AAL纳米纤维,以THF以及DMF为溶剂不能电纺成纤。为了在碳化过程中保留纤维形态,需要对原纤维进行预氧化处理。结果发现,AAL纳米纤维的预氧化处理需要在空气氛围中在低于1℃/min的升温速率下进行。对AAL纤维的碳化处理在升温速率100℃/h的条件下,碳化温度需要低于700℃。对700℃碳化的纤维的结晶形态以及表面元素含量进行了分析。结果表明碳为无定形碳,碳含量86.7%,碳化不完全。采用静电纺丝法制备了碱木质素纳米纤维,并讨论了电导率,溶液浓度,电压,极距,推速对碱木质素静电纺丝的影响。结果表明随着溶液质量分数的增加,纤维的直径显著增大。当溶液质量分数为40%以及45%时,随电压升高,纤维直径先增大后减小,在60kv时最小。推速增大,纤维直径显著增大。极距对纤维形貌没有影响,对纤维直径影响也不大。随极距增大,纤维直径先减小后增大。对碱木质素纳米纤维分别在500℃,600℃,700℃进行了碳化处理。分析了热处理过程中纤维直径的变化,发现纤维直径减小说明纤维在热处理过程中发生收缩。并对不同温度下碳化的纤维的结晶形态以及石墨化程度进行了分析。发现碳纤维均为无定形碳。随着碳化温度的升高,石墨化程度增加。
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