木質(zhì)素-丙烯腈共聚物原絲

碳纖維是一種強度大、密度小、耐腐蝕、耐老化、耐高溫和易導(dǎo)電的新型纖維狀碳素材料，作為復(fù)合材料最重要的增強體，被廣泛應(yīng)用于航空、航天以及高端體育休閑用品等領(lǐng)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(chǎn)的。PAN來源于不可再生的化石資源，價格較高且經(jīng)常受到國際原油價格波動的影響，導(dǎo)致碳纖維生產(chǎn)成本居高不下、應(yīng)用范圍受到極大的限制。利用可再生的生物質(zhì)資源開發(fā)碳纖維有望解決目前PAN基碳纖維價格過高、應(yīng)用受限的問題。

木質(zhì)素是自然界中含量最豐富的天然芳香族高分子，是一種可再生的綠色材料。其作為制漿造紙工業(yè)的主要副產(chǎn)物，每年僅造紙業(yè)提供的木質(zhì)素就超過了2500萬t，產(chǎn)量巨大，成本低廉，但是至今未能得到有效利用。木質(zhì)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(zhì)素為原料生產(chǎn)碳纖維，不僅有利于實現(xiàn)木質(zhì)素的高值化利用，充分利用可再生資源和保護生態(tài)環(huán)境，而且還有利于碳纖維的可持續(xù)發(fā)展，減輕其對化石資源的依賴。

但是，木質(zhì)素基碳纖維的研究與開發(fā)目前仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，木質(zhì)素是一種三維網(wǎng)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(zhì)素原絲，自身紡絲成形極其困難。如何滿足碳纖維制備的“三高”（高純度、高分子量和高碳含量）要求是應(yīng)用木質(zhì)素原料的最大挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所特種纖維團隊采用酯化和自由基共聚兩步法改性技術(shù)制備了一種具有良好可紡性和熱穩(wěn)定性的木質(zhì)素-丙烯腈共聚物。

木質(zhì)素-丙烯腈共聚物基碳纖維SEM掃描圖

采用該共聚物和濕法紡絲工藝制得高質(zhì)量的連續(xù)原絲，經(jīng)熱穩(wěn)定化和炭化處理后，制得結(jié)構(gòu)致密的碳纖維，為有效利用木質(zhì)素和進一步提高碳纖維的力學(xué)性能奠定了重要基礎(chǔ)。

該工作的部分研究結(jié)果已發(fā)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，更多研究結(jié)果陸續(xù)整理發(fā)表中。而且該項目還得到了國家自然科學(xué)基金（21404111）和國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車專項”（2016YFB0101702）等項目基金支持。