W praktyce przemysłowej włókna węglowe przędzone jest z prekursora na bazie poliakrylonitrylu PAN, będącego produktem petrochemicznym i podlega karbonizacji w wysokiej temperaturze, co przekłada się na duży wydatek energii i stosunkowo wysokie koszty.
Na Uniwersytecie Stanowym Iowy trwają prace nad alternatywną technologią otrzymywania włókien węglowych z surowców odnawialnych. Już wcześniej jako atrakcyjny prekursor w tym kontekście zidentyfikowano ligninę, jednak otrzymanie jakościowych włókien niskim kosztem okazało się trudne w realizacji.
Zaproponowano nowe podejście, w ramach którego przędzone włókna poddawane są obróbce termo-mechanochemicznej. Uwzględnienie kontrolowanego ogrzewania, wraz z odpowiednim naciągiem włókien, na etapie stabilizacji przędzy ligninowej pozwoliło wpłynąć na formację jej mikrostruktury. Kontrola parametrów chemicznych poprzez oddziaływania termomechaniczne przyczyniła się do uzyskania mikrostruktury o charakterze sprzyjającym ukierunkowanej grafityzacji.
Porównanie wytrzymałości na rozciąganie próbek włókien poddawanych naciągnięciu na etapie stabilizacji i karbonizacji z próbkami ogrzewanymi w stanie swobodnym wykazuje obiecujący mechanizm umacniania struktury włókien w wyniku naprężeń mechanicznych. Podczas obróbki termo-mechanochemicznej, łańcuchy polimerowe w strukturze ligniny ulegają rozerwaniu, a ich fragmenty o właściwościach rodnikowych ulegają reorganizacji i repolimeryzacji, tworząc nową strukturę o silniejszych wiązaniach chemicznych.
W badaniach otrzymanych próbek włókien węglowych odnotowano wytrzymałość na rozciąganie do 2,45 GPa i moduł sprężystości do 236 GPa, przy temperaturze karbonizacji 700 °C. Dzięki temu udało się zamknąć bilans kosztów poniżej 5 dolarów za funt, co spełnia założenia amerykańskiego Departamentu Energii zarówno jeśli chodzi o jakość włókien, jak i ich cenę.
news.iastate.edu
