木质素基碳纤维材料有望成最理想材料，企业如何抓住机遇弯道超车？

碳纤维作为一种具有高强度、耐腐蚀、低密度、高模量以及良好导电性能的增强材料，其在航空航天、汽车零部件以及医疗器械等领域都有着广阔的应用前景。

目前，市面上80%以上的碳纤维是以聚丙烯腈（PAN）为原料制备的，不仅价格昂贵，而且在制备过程中会产生较多的污染，并且由于PAN源自不可再生的化石资源，其供给也会随着化石资源的开采而受到一定限制。因此，开发可再生原料制备低成本碳纤维成为未来的发展趋势。

木质素基碳纤维是以木质素为主要原料替代传统的石油基高聚物而制备的碳纤维材料。主要的制备过程涉及木质素预处理、调制纺丝液、静电纺丝、预氧化、纤维碳化等。与PAN基碳纤维相比，木质素基碳纤维具有以下优势：

（1）来源广泛且成本低廉

木质素是自然界中含量仅次于纤维素的可再生资源，广泛存在于植物基体中，加之每年造纸行业的副产物也会产生数千万吨的木质素，使得木质素基碳纤维的原料不仅成本低廉而且“取之不尽，用之不竭”。

（2）环保无污染

木质素中的碳含量高达60%，将制备纺丝液采用醇类溶剂，纺丝更环保。

（3）具备更强的理化特性

木质素含有大量的芳香烃苯环结构，这使得将其制备成碳纤维时能够更好的保持原有的丝状结构，从而获得更大的拉伸强度。可见，与传统的PAN基碳纤维相比，木质素基碳纤维在原料、成本、环保乃至性能方面都具备一定优势，是未来制备低成本碳纤维的首选。

那么，既然木质素基碳纤维材料那么优秀，我们对它们的研究又有哪些进展呢？

宁波材料所在木质素基碳纤维研究方面取得进展

木质素是自然界中含量最丰富的天然芳香族高分子。其作为制浆造纸工业的主要副产物，产量巨大，成本低廉，但是至今未能得到有效利用。木质素含有丰富的碳元素和具有较高的碳化收率，是制备碳纤维的理想原料。以木质素为原料生产碳纤维，不仅有利于实现木质素的高值化利用，充分利用可再生资源和保护生态环境，而且还有利于碳纤维的可持续发展，减轻其对化石资源的依赖。

但是，木质素基碳纤维的研究与开发目前仍然面临着许多挑战，如满足碳纤维制备要求的“三高”（高纯度、高分子量和高碳含量）木质素原料的供应体系尚未形成，木质素自身纺丝成型极其困难。木质素是一种三维网状的无定型聚合物，分子量较低且分布很宽，在纺丝过程中难以承受较大的牵伸张力，通常只能制得直径较粗、取向较低的木质素原丝。中国科学院宁波材料技术与工程研究所特种纤维团队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。采用该共聚物和湿法纺丝工艺制得高质量的连续原丝，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力学性能奠定了重要基础。

该工作的部分研究结果已发表在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，更多研究结果陆续整理发表中。该工作得到了国家自然科学基金（21404111）和国家重点研发计划“新能源汽车专项”（2016YFB0101702）等项目的支持。

研究人员利用牛皮纸木质素制作低成本碳纤维

来自日本金泽大学的研究人员对一种工业废弃物进行了化学改性，并将其加工成一种轻质结构材料。这一成果有望降低汽车等的燃油量，进而提高燃油经济性。

研究人员从常见的木材制浆过程中的副产品—牛皮纸木质素入手。造纸厂通常会燃烧牛皮纸木质素来发电，因为它很难有其他任何用途。将牛皮纸木质素化学加工成更有用的材料，将改善造纸生产的环境可持续性。

文章来源： 瓦特科技，中国复合材料学会，宁波材料技术与工程研究所