Лигнин из бумажных отходов помог создать прочное автомобильное углеволокно

Инженеры Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WashU) разработали процесс производства углеродных волокон, отвечающих требованиям автомобильной промышленности, с использованием лигнина — отхода целлюлозно-бумажных производств, который в большинстве случаев сжигается или выбрасывается. Результаты опубликованы в журнале Matter.

Углеродные волокна — лёгкий, прочный и дорогой конструкционный материал, широко применяемый в автомобилестроении, авиации и ветроэнергетике. Один из главных барьеров для их массового распространения — стоимость: большинство углеродных волокон производится на основе полиакрилонитрила (PAN), нефтехимического соединения. Кроме высокой цены, это означает прямую зависимость от углеводородного сырья и значительный углеродный след производства.

Что такое лигнин и почему его раньше не использовали

Лигнин — природный полимер, скрепляющий клетки растений. При производстве бумажной целлюлозы методом крафт-варки он отделяется от целлюлозных волокон и образует так называемый чёрный щёлок, который затем сжигается для получения энергии на заводе. Ежегодно в мире образуется около 50–70 млн тонн технического лигнина, из которых лишь малая доля используется как сырьё для химической промышленности.

Лигнин давно рассматривается как потенциальный предшественник для углеродных волокон — он содержит углеродные ароматические кольца, которые в принципе могут быть карбонизованы. Проблема в том, что углеродные волокна из чистого лигнина оказываются намного хуже по механическим свойствам, чем полиакрилонитрильные: кристаллические домены в них разориентированы, что ведёт к хрупкости и низкой прочности на растяжение.

Решение: ориентированная кристаллизация с помощью нанотрубок

Авторы нашли элегантный способ преодолеть этот барьер. В прядильный раствор, содержащий 50:50 смесь лигнина и PAN, добавлялись одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT) в небольших концентрациях. Нанотрубки действовали как шаблоны: в процессе формования нити и последующей термической обработки они «выравнивали» кристаллические домены полимерной матрицы вдоль оси волокна.

Результат — то, что авторы называют «ориентированной кристаллизацией»: упорядоченная внутренняя структура волокна, обеспечивающая высокую прочность на растяжение.

Итоговые характеристики волокон:

• прочность на растяжение и модуль упругости соответствуют требованиям, которые авторы рассматривают для автомобильных материалов;
• себестоимость производства снижена на ~25% по сравнению с чисто PAN-волокном за счёт замены половины нефтяного предшественника;
• углеродный след производства ниже: лигнин — возобновляемый отход, а не нефтехимическое сырьё.

Что это меняет для автомобильного рынка

Декарбонизация автомобилестроения требует двух вещей одновременно: более лёгких конструкций (чтобы компенсировать вес батарей в электромобилях) и снижения углеродного следа самих материалов. Углеволокно решает первую задачу, но усугубляет вторую — из-за высокого энергопотребления и нефтяного происхождения PAN.

Лигнино-PAN-волокно с нанотрубками предлагает компромисс: те же механические свойства, меньше нефти, меньше CO₂ при производстве.

Читайте также: Критические минералы предложили извлекать материалом для 3D-печати.

По данным WashU, работа ведётся совместно с NSF Engineering Research Center CURB, нацеленным на создание экономики замкнутого цикла в материаловедении. Следующий шаг — масштабирование процесса и оценка его применимости к другим источникам лигнина, в том числе из биоперерабатывающих производств.