通过干喷湿法纺丝工艺制备脱碱木质素/聚丙烯腈基碳纤维

《Polymer》：Fabrication of dealkalized-lignin/polyacrylonitrile based carbon fiber via dry-jet wet spinning process

碳纤维制备中利用脱碱木质素（DL）与聚丙烯腈（PAN）复合前驱体纤维，通过干喷湿纺技术优化预处理和碳化工艺，获得无宏观缺陷的高性能碳纤维，拉伸强度达2201 MPa，电导率79936 S/m，显著提升可持续性并降低石油基原料依赖。

　　近年来，随着对可持续发展和环保材料需求的增加，碳纤维作为一种高性能材料，其应用范围不断扩大。然而，传统碳纤维的生产依赖于聚丙烯腈（PAN）作为前驱体，这种材料不仅成本较高，而且在生产过程中会产生大量的二氧化碳排放，限制了其大规模应用。因此，寻找可替代的、低成本且低排放的前驱体材料成为研究的重点。在这一背景下，木质素作为一种丰富的天然资源，因其芳香结构和高碳含量，被视为一种理想的碳纤维前驱体。本文的研究正是基于这一思路，探讨了如何通过优化工艺参数，利用木质素与PAN的复合体系，制备出高性能的碳纤维。

木质素是植物细胞壁的主要成分之一，仅次于纤维素，是地球上第二丰富的天然有机材料。其天然来源和可再生特性，使其在绿色制造方面具有显著优势。然而，木质素的化学结构复杂，包含多种官能团和多支链结构，这在一定程度上影响了其在纺丝过程中的可加工性。因此，如何通过适当的处理手段提升木质素的溶解性和纺丝性能，成为实现其在碳纤维生产中应用的关键问题。在本研究中，采用了干喷湿纺技术，这是一种常用的纤维制造方法，能够有效控制纺丝过程中的相变行为，从而提高纤维的质量和性能。

研究团队选择了不同来源的木质素，包括碱木质素、木质素磺酸钠盐和脱碱木质素（DL），并评估了它们在二甲基亚砜（DMSO）溶剂中的溶解性和粘度。结果表明，不同类型的木质素在DMSO中的溶解行为存在差异，其中DL表现出较好的溶解性。通过调整纺丝溶液的组成，研究团队成功制备了DL与PAN的复合纤维前驱体。这些前驱体在干喷湿纺过程中，经过纺丝、预氧化和碳化等步骤，最终形成了具有优异机械性能的碳纤维。

在制备过程中，研究团队特别关注了预氧化和碳化条件对纤维性能的影响。通过优化这些工艺参数，他们获得了高质量的DL/PAN基碳纤维，这些纤维在宏观上没有气泡，具有良好的表面光滑度和结构均匀性。此外，研究团队还对纤维的微观结构进行了系统的表征，包括纤维的孔隙结构、结晶度和取向度等。这些微观结构的变化与纤维的机械性能之间存在紧密的关联，通过控制这些参数，可以进一步提升碳纤维的强度和模量。

在实验过程中，研究团队发现当DL含量为30%时，前驱体纤维和最终碳纤维的拉伸强度分别达到了460 MPa和2201 MPa，这是目前研究中观察到的最高值之一。同时，这些纤维的电导率也达到了79936 S/m，表明其在导电材料方面的应用潜力。这一结果不仅验证了DL在碳纤维生产中的可行性，也为实现低碳、低成本的碳纤维制造提供了新的思路。

此外，研究团队还探讨了不同条件下的纺丝行为，包括纺丝溶液的浓度、纺丝速度和凝固浴的组成。通过系统的研究，他们发现高浓度的DMSO（60%）能够有效提升纺丝溶液的粘度，从而改善纤维的成型质量。同时，凝固浴的温度和组成对纤维的微观结构和性能也有显著影响。通过优化这些参数，研究团队成功制备了具有优异性能的碳纤维，这些纤维不仅在机械性能上接近传统PAN基碳纤维，而且在环保和经济性方面具有明显优势。

在实际应用中，木质素作为碳纤维前驱体的引入，不仅能够降低生产成本，还能减少碳排放，符合当前社会对绿色材料的需求。然而，由于木质素的化学结构复杂，其在纺丝过程中的可加工性仍然面临一定挑战。因此，研究团队通过引入不同的处理方法，如功能化、热机械化学改性等，来改善木质素的性能，使其能够更好地与PAN结合，形成稳定的复合纤维前驱体。

在本研究中，采用的干喷湿纺技术不仅能够有效控制纺丝过程，还能提高纤维的成型质量。通过这一技术，研究团队成功制备了DL/PAN复合纤维前驱体，并对其进行了系统的性能评估。这些纤维在预氧化和碳化过程中表现出良好的稳定性，最终形成了具有优异机械性能的碳纤维。这一结果表明，通过合理选择和优化前驱体材料，可以实现高性能、低成本、低排放的碳纤维制造。

此外，研究团队还关注了不同条件下的碳纤维性能变化。例如，在预氧化过程中，温度和加热速率对纤维的结构和性能有重要影响。通过调整这些参数，可以进一步提升碳纤维的强度和模量。同时，碳化过程中的温度控制也对纤维的最终性能至关重要。研究团队发现，在适当的碳化温度下，DL/PAN复合纤维能够实现较高的结晶度和取向度，从而提高其机械性能。

在实验过程中，研究团队还对不同类型的木质素进行了比较分析。结果表明，不同来源的木质素在DMSO中的溶解性和粘度存在差异，其中DL表现出更好的溶解性。这表明，在选择木质素作为碳纤维前驱体时，需要考虑其来源和处理方式，以确保其在纺丝过程中的可加工性。此外，研究团队还发现，DL与PAN的混合比例对纤维的性能有显著影响，当DL含量为30%时，纤维的机械性能达到最佳状态。

通过本研究，研究团队不仅验证了DL作为碳纤维前驱体的可行性，还为实现低碳、低成本的碳纤维制造提供了新的技术路径。这些成果对于推动碳纤维在新能源、航空航天、汽车制造等领域的应用具有重要意义。同时，研究团队还指出，虽然DL在碳纤维生产中表现出良好的性能，但在实际应用中仍需进一步优化工艺参数，以确保其在大规模生产中的可行性和稳定性。

总之，本研究通过系统地探讨DL与PAN复合纤维的制备工艺，成功实现了高性能、低成本、低排放的碳纤维制造。这一成果不仅为碳纤维的可持续发展提供了新的思路，也为实现绿色制造和环保材料的广泛应用奠定了基础。未来，随着对环保和可持续材料需求的增加，DL在碳纤维生产中的应用前景将更加广阔。