Использование растений и деревьев для производства таких продуктов, как бумага или этанол, оставляет после себя остаток, называемый лигнином, компонентом клеточных стенок растений. Этот оставшийся лигнин не очень полезен, и его часто сжигают или выбрасывают на свалки. Теперь исследователи сообщают о преобразовании лигнина в углеродное волокно для производства недорогого материала, достаточно прочного для изготовления деталей автомобилей или самолетов.
Исследователи представят свою работу сегодня на 254-м Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS).
«Лигнин представляет собой сложную ароматическую молекулу, которая в основном сжигается для получения пара на биоперерабатывающем заводе, что является относительно неэффективным процессом, который не создает большой ценности», - говорит Биргитте Аринг, доктор философии. Д., главный исследователь проекта. «Поиск лучших способов использования оставшегося лигнина действительно является движущей силой здесь. Мы хотим использовать отходы биопереработки для создания ценности. Мы хотим использовать продукт с низкой стоимостью для создания продукта с высокой ценностью, который сделает биоперерабатывающие заводы устойчивыми».
Кроме того, существуют потенциальные преимущества углеродного волокна. Углеродное волокно, изготовленное из лигнина, будет более устойчивым и менее дорогим, чем волокна, производимые в настоящее время. Углеродное волокно, используемое в современных автомобилях и самолетах, обычно изготавливается из полиарилонитрила (ПАН), дорогого невозобновляемого полимера. «PAN может составлять около половины общей стоимости производства углеродного волокна», - говорит Цзиньсюэ Цзян, доктор философии. Он является постдокторантом в лаборатории Аринга в Университете штата Вашингтон. «Наша идея состоит в том, чтобы снизить стоимость производства углеродного волокна за счет использования возобновляемых материалов, таких как биоперерабатывающий лигнин». Другие исследователи пытались сделать углеродные волокна из 100-процентного лигнина, говорит Цзян, но в итоге получили волокно, слишком слабое для автомобильной промышленности.«Мы хотели объединить высокую прочность ПАН с низкой стоимостью лигнина для производства автомобильного углеродного волокна».
Чтобы разработать прочное, но дешевое углеродное волокно, команда Аринга смешала лигнин с ПАН в различных количествах, от 0 до 50 процентов. Они объединили полимеры в одно волокно, используя процесс, называемый прядением из расплава. «Вы повышаете температуру полимерной смеси до тех пор, пока она не расплавится, чтобы она могла течь», - говорит Цзян. «Затем вы вращаете эти полимерные расплавы, пока не сформируется волокно». Используя различные методы, в том числе спектроскопию ядерного магнитного резонанса, калориметрию и электронную микроскопию, исследователи оценили структурные и механические характеристики волокон. Они обнаружили, что могут обойтись 20-30 процентами лигнина без ущерба для прочности. Исследователи говорят, что углеродные волокна лигнина могут найти применение в автомобилях, таких как внутренние детали, отливки и каркасы шин.
В качестве следующего шага исследователи отправят свои волокна на завод по производству автомобилей, чтобы проверить их прочность в реальных условиях.«Если нам удастся получить волокно, которое можно использовать в автомобильной промышленности, у нас будет хорошая возможность сделать биоперерабатывающие заводы более экономически жизнеспособными, чтобы они могли продавать то, что обычно выбрасывают или сжигают», - говорит Аринг. «И продукты будут более экологичными и менее дорогими».