近日，DITF开发出一种新型、既环保又节约成本的木质素基碳纤维生产工艺，该工艺具有高节能潜力，且因避免采用溶剂使该工艺具有环境友好特性。

目前，市场上90%以上的碳纤维都是以聚丙烯腈（PAN）为原料生产，其成本及应用范围有很大局限性且对环境造成一定污染，亟需一种具有成本效益且高效环保的原料作为碳纤维原料。木质素含量丰富、价格低廉，以其为原料制备碳纤维能有效实现环境可持续性以及木质素资源的高值化利用。

DITF开发的这种新工艺能够在所有上述工艺步骤中实现高节能。首先，使用木质素来代替聚丙烯腈生产前驱体纤维，然后，在第二个工艺步骤中将其转化为碳纤维。木质素作为生产碳纤维的原料，目前在工业生产中受到的关注较少。它是一种廉价的原材料，量大、易得，是造纸过程中产生的废料。

PAN炭纤维预制体的特性与优势

PAN炭纤维预制体具有许多特性与优势，首先，就其物理特性而言，PAN炭纤维预制体具有高强度和高模量，使其成为一种优异的结构材料，其强度甚至可以超过许多传统的金属材料，使其在航空航天、汽车工业等领域有着广泛的应用，此外，它还具有轻质化的优势，相比传统材料更轻，有助于减轻整体结构的重量，从而提高性能和节能减排。

其次，PAN炭纤维预制体在化学性质方面也表现出众，它具有优异的耐腐蚀性和耐高温性能，使其在极端条件下仍能保持稳定的性能，即使在强酸、强碱等恶劣环境中，PAN炭纤维预制体也能表现出出色的耐久性，不易发生腐蚀和损伤，因而具备更长的使用寿命。

尽管PAN炭纤维预制体具有众多优势，但也不可忽视一些局限性，虽然它具有高强度，但在某些情况下可能出现脆性断裂的问题，要是应用在高应力或高挠度的场合，可能会表现出一定的脆性行为，因此需要在设计中 考虑到这一点，此外，PAN炭纤维预制体的制造成本较高，因为其生产过程中需要精密的设备和复杂的工艺。

然而，只要在合适的应用场景中充分发挥其优势，PAN炭纤维预制体将展现出其无可比拟的价值，无论是在航空航天、船舶制造还是体育用品等领域，都能发挥其轻质高强的优点，同时，结合其优异的化学性质，PAN炭纤维预制体在环境逆境较大的应用场合也能发挥出色的性能。

综上所述，与其考虑PAN炭纤维预制体的局限性，不如将其优势充分挖掘并应用在各个领域，虽然制造成本较高，但在追求轻质高强、耐久耐用的工程应用中，它依然是一种不可替代的材料选择。

碳纤维的新途径

木质素纤维的新生产工艺是以木质素水溶液为基础的。为了达到这个目的，木材被分离成木质素和纤维素。亚硫酸盐消化过程可以产生溶于水的木质素磺酸盐。

纺丝在所谓的干法纺丝过程中进行。在这个过程中，挤出机通过喷嘴将纺丝物料压入加热的纺丝轴，得到的连续纤维在纺丝轴中快速而均匀地干燥，从水溶液中纺制得到木质素纤维，这是一种全新的环保路线，因为该过程完全不需要使用溶剂或有毒添加剂。

后续的碳纤维生产包括以下步骤，即热空气中的稳定化和随后在高温炉中的碳化，与PAN用作前驱体纤维时的常规工艺类似。但是，木质素纤维在这里也显示出它们的优势，因为它们可以在热炉中 特别快速地实现稳定化，并且在碳化过程中只需要相对较低的温度。与PAN前驱体纤维相比，这些工艺步骤中的能量节省约为50%，并具有真正的竞争优势。

与PAN基碳纤维相比，木质素基碳纤维具有什么优势

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。

水纺木质素纤维的技术优势

在生产木质素纤维的新工艺中，木材首先被分离成木质素和纤维素，然后经亚硫酸盐消化产生溶于水的木质素磺酸盐，而含有木质素的水溶液是纺丝纤维的起始材料。

干法纺丝工艺可实现高纺丝速度。因此，与PAN前驱体纤维相比，可以在更短的时间内生产更多的材料，这是另一个竞争优势，但它不允许对木质素纤维的质量做出任何妥协：事实上，这些纤维非常均匀，表面光滑，没有粘连。这种结构特征有助于进一步加工成碳纤维，并最终加工成纤维复合材料。

综上所述，在新的纺丝工艺中获得的前驱体木质素纤维在成本效率和环境兼容性方面显示出优于PAN纤维的明显优势。另一方面，用它们生产的碳纤维的机械性能几乎与PAN基碳纤维相当，即：木质素基碳纤维与市面上的产品一样坚固、耐腐蚀和轻便。

这种由水纺木质素纤维制成的碳纤维可能对建筑和汽车行业的应用特别优异，这些行业将极大地受益于其生产过程中的低成本。

文章来源： 碳纤维及其复合材料技术，瓦特科技，慧心引力佳