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变废为宝新技术:植物残渣变身车用碳纤维

导读: 研究人员报告说,将木质素转化为碳纤维,生产出一种较低成本的材料,其强度足以构建汽车或飞机的零件。

树木用来造纸之后产生的废弃物之一——木质素往往会通过燃烧进行处理,这种不可再生的行为其实是一种浪费。华盛顿州立大学的研究人员将这种木质素废弃物与聚丙烯腈混合,制成了既强又便宜的车用碳纤维,实现了生物炼制厂的可持续发展。

使用植物和树木来制造纸或乙醇等产品,会留下一种名为木质素的残留物,其是植物细胞壁的成分之一。剩余的木质素不是很有用,一般是被烧毁或被扔进垃圾填埋场。现在,研究人员报告说,将木质素转化为碳纤维,生产出一种较低成本的材料,其强度足以构建汽车或飞机的零件。

该项目的主要研究员Birgitte Ahring博士说:“木质素是一种复杂的芳族分子,主要是被燃烧以在生物炼制厂中产生蒸汽,这是一个相对低效的过程,不会产生很多价值。寻找更好的方法来使用剩余的木质素是真正的驱动力,我们希望使用生物炼制垃圾来创造价值,我们希望使用低价值的产品来创造高价值的产品,这将实现生物炼制厂的可持续发展。”

另外,在碳纤维方面也存在潜在的用途。用木质素制成的碳纤维将比目前生产的纤维更可持续,更便宜。现代汽车和飞机上所用的碳纤维通常由聚丙烯腈(PAN)制成,这是一种昂贵的不可再生聚合物。“PAN可以贡献碳纤维总成本的一半,”Jinxue Jiang博士说道,他是华盛顿州立大学Ahring实验室的博士后研究员,“我们的想法是通过使用可再生材料(如生物炼制木质素)来降低制造碳纤维的成本。其他研究人员试图用100%的木质素制造碳纤维,但最终得到的纤维强度太弱。而我们希望将PAN的高强度与木质素的低成本相结合,以生产汽车用碳纤维。”

为了开发出一种强而价廉的碳纤维,Ahring的团队将木质素与PAN以不同含量混合,从0到50%不等。他们使用名为熔融纺丝的工艺将聚合物熔合成单纤维。“提高聚合物混合物的温度,直到它们融化到可以流动,”Jiang说,“然后,转动这些聚合物熔体直到纤维形成。”研究人员利用核磁共振光谱,量热法和电子显微镜等多种方法评估了纤维的结构和机械特性。他们发现,他们可以在不牺牲强度的情况下消除多达20-30%的木质素。研究人员表示,木质素碳纤维可以用于汽车行业,如内部零件、铸件和轮胎框架。

下一步,研究人员将在汽车制造厂测试他们的纤维是否可用于实际生产。Ahring说:“如果我们能够设法获得可用于汽车行业的纤维,我们将能够使生物炼制厂在经济上更具可行性,因此可以销售通常会被丢弃或燃烧的物质。而且产品将更加可持续和便宜。”

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