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中科院寧波材料所在木質素基碳纖維研究方面取得進展

2017-03-23 11:33:26 作者：本網整理來源：寧波材料所分享至：

寧波材料所特種纖維團隊采用酯化和自由基共聚兩步法改性技術制備了一種具有良好可紡性和熱穩定性的木質素-丙烯腈共聚物。采用該共聚物和濕法紡絲工藝制得高質量的連續原絲，經熱穩定化和炭化處理后，制得結構致密的碳纖維，為高效利用木質素和進一步提高碳纖維的力學性能奠定了重要基礎。

碳纖維作為先進復合材料最重要的增強體，被廣泛應用于航空、航天以及高端體育休閑用品等領域。但是，目前市場上90%以上的碳纖維都是以聚丙烯腈（PAN）為原料生產的。PAN來源于不可再生的化石資源，價格較高且經常受到國際原油價格波動的影響，導致碳纖維生產成本居高不下、應用范圍受到極大的限制。利用可再生的生物質資源開發碳纖維有望解決目前PAN基碳纖維價格過高、應用受限的問題。

木質素是自然界中含量最豐富的天然芳香族高分子。其作為制漿造紙工業的主要副產物，產量巨大，成本低廉，但是至今未能得到有效利用。木質素含有豐富的碳元素和具有較高的碳化收率，是制備碳纖維的理想原料。以木質素為原料生產碳纖維，不僅有利于實現木質素的高值化利用，充分利用可再生資源和保護生態環境，而且還有利于碳纖維的可持續發展，減輕其對化石資源的依賴。

但是，木質素基碳纖維的研究與開發目前仍然面臨著許多挑戰，如滿足碳纖維制備要求的“三高”（高純度、高分子量和高碳含量）木質素原料的供應體系尚未形成，木質素自身紡絲成型極其困難。木質素是一種三維網狀的無定型聚合物，分子量較低且分布很寬，在紡絲過程中難以承受較大的牽伸張力，通常只能制得直徑較粗、取向較低的木質素原絲。寧波材料所特種纖維團隊采用酯化和自由基共聚兩步法改性技術制備了一種具有良好可紡性和熱穩定性的木質素-丙烯腈共聚物。采用該共聚物和濕法紡絲工藝制得高質量的連續原絲，經熱穩定化和炭化處理后，制得結構致密的碳纖維，為高效利用木質素和進一步提高碳纖維的力學性能奠定了重要基礎。

該工作的部分研究結果已發表在ACS Sustainable Chem. Eng.（2016, doi: 10.1021/acssuschemeng.5b01442）、J. Mater. Sci.（2017, doi:10.1007/s10853-017-0977-x）等國外期刊上，更多研究結果陸續整理發表中。該工作得到了國家自然科學基金（21404111）和國家重點研發計劃“新能源汽車專項”（2016YFB0101702）等項目的支持。

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木質素-丙烯腈共聚物原絲照片