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技术进展 | 以木质素为原料生产碳纤维

文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2018-01-04 08:48【

木质素-丙烯腈共聚物原丝

碳纤维是一种强度大、密度小、耐腐蚀、耐老化、耐高温和易导电的新型纤维状碳素材料,作为先进复合材料最重要的增强体,被广泛应用于航空、航天以及高端体育休闲用品等领域。

但是,目前市场上90%以上的碳纤维都是以聚丙烯腈(PAN)为原料生产的。PAN来源于不可再生的化石资源,价格较高且经常受到国际原油价格波动的影响,导致碳纤维生产成本居高不下、应用范围受到极大的限制。利用可再生的生物质资源开发碳纤维有望解决目前PAN基碳纤维价格过高、应用受限的问题。

木质素是自然界中含量最丰富的天然芳香族高分子,是一种可再生的绿色材料。其作为制浆造纸工业的主要副产物,每年仅造纸业提供的木质素就超过了2500万t,产量巨大,成本低廉,但是至今未能得到有效利用。木质素含有丰富的碳元素和具有较高的碳化收率,是制备碳纤维的理想原料。以木质素为原料生产碳纤维,不仅有利于实现木质素的高值化利用,充分利用可再生资源和保护生态环境,而且还有利于碳纤维的可持续发展,减轻其对化石资源的依赖。

但是,木质素基碳纤维的研究与开发目前仍然面临着许多挑战,木质素是一种三维网状的无定型聚合物,分子量较低且分布很宽,在纺丝过程中难以承受较大的牵伸张力,通常只能制得直径较粗、取向较低的木质素原丝,自身纺丝成形极其困难。如何满足碳纤维制备的“三高”(高纯度、高分子量和高碳含量)要求是应用木质素原料的最大挑战。

近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所特种纤维团队采用酯化和自由基共聚两步法改性技术制备了一种具有良好可纺性和热稳定性的木质素-丙烯腈共聚物。

木质素-丙烯腈共聚物基碳纤维SEM扫描图

采用该共聚物和湿法纺丝工艺制得高质量的连续原丝,经热稳定化和炭化处理后,制得结构致密的碳纤维,为高效利用木质素和进一步提高碳纤维的力学性能奠定了重要基础。

该工作的部分研究结果已发表在ACS Sustainable Chem. Eng.(2016, doi: 10.1021/acssuschemeng.5b01442)、J. Mater. Sci.(2017, doi:10.1007/s10853-017-0977-x)等期刊上,更多研究结果陆续整理发表中。而且该项目还得到了国家自然科学基金(21404111)和国家重点研发计划“新能源汽车专项”(2016YFB0101702)等项目基金支持。


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