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、过滤材料、吸附剂、催化剂等领域具有重要的应用价值。


制备碳纳米纤维的方法主要有化学气相沉积法和静电纺丝法两种。前者通过碳氢化合物在金属催化剂表面发生热解反应而获得碳纳米纤维。该方法已实现碳纳米纤维的商业化制备,但由于所制得的碳纳米纤维中残留金属离子,导致其应用受到一定的影响。后者通过高分子溶液或熔体在高静电压作用下形成直径为几十纳米到几微米的原丝纤维,然后再经过热稳定化和炭化处理制成碳纳米纤维。该方法是目前唯一能够制得连续碳纳米纤维的方法。
尽管可用于静电纺丝的高分子有很多,但目前用来制备碳纳米纤维的高分子主要有沥青基、聚丙烯腈基和木质素基三种。目前,沥青基和聚丙烯腈(PAN)基碳纤维占碳纤维市场主导地位,约占碳纤维总量的90%。其中,PAN基碳纤维性能优异,但其成本过高。在PAN基碳纤维的制备成本中,前躯体成本占51%左右。因此,控制前驱体成本是降低碳纤维成本最有效的方法,而价格低廉的原材料是降低前驱体成本的关键。木质素是自然界中含量仅次于纤维素的天然高分子材料,来源丰富,成本低廉。在资源危机和环境污染等问题日益严重的今天,利用可再生的木质素制备碳纳米纤维具有重要意义。
人们从20世纪60年代就开始了木质素基碳纤维的研制工作,但是迄今为止,仍然未能实现木质素基碳纤维的生产和应用。原因之一在于木质素分子是由羟基或甲氧基取代的苯丙烷单体经无序聚合而成的三维复杂结构,分子量较低且分布较宽,并且木质素分子中含有大量的醇羟基和酚羟基,存在很强的氢键作用力,使木质素纤维的纺丝成型非常困难,纯木质素很难制备成柔韧的细直径的连续长纤维。


为了提高木质素的可纺性,针对木质素纤维纺丝成型困难的问题,通常将其与热塑性聚合物共混,然后通过溶液湿法纺丝工艺将其制成纤维,再经预氧化和炭化制成纤维。已被研究过的共混聚合物包括聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)和聚乳酸(PLA)等。但是,这些共混聚合物的热稳定性较差,在后续热处理过程中易发生裂解、挥发,形成大量孔洞缺陷,从而导致最终碳纤维的力学性能降低。


在国家自然科学基金和国家重点研发计划“新能源汽车专项”及中科院先导专项等项目的支持下,中科院碳纳米纤维制备技术国家工程实验室攻克了木质素的提取、前驱体的制备、原丝的预氧化和氧化原丝碳化等关键制备环节核心技术,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。由于共聚物分子链上接枝的丙烯腈链段热稳定性良好,显著提高了纤维在预氧化、碳化处理中热稳定性,显示出了很好的耐熔融性,避免了纤维之间的熔并粘连,升温速率在热稳定化处理时可以至少提高到10~50℃/min,显著提高了碳纤维生产效率。


采用该共聚物和湿法纺丝工艺制得高质量连续原丝,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产业化奠定了重要基础。