熔纺软木硫酸盐木质素制备的高性能可再生碳纤维：短时稳定化与超低温碳化技术

本文推荐：该研究通过水性轻质生物油（LBO）改性软木硫酸盐木质素（SKL），开发出兼具熔纺加工性（melt-spinnable）和4小时快速稳定化的创新工艺，结合热机械化学（thermo-mechanochemistry）调控技术，在700°C超低温碳化下获得拉伸强度2.08 GPa、模量193 GPa的高性能碳纤维（CF），为低成本（<$5/lb）绿色碳材料产业化提供突破性解决方案。

　　

亮点

本研究突破性地利用玉米秸秆热解产生的轻质生物油（LBO）改性高玻璃化转变温度（T_g）的软木硫酸盐木质素（SKL），成功实现熔融纺丝（melt-spinning）和4小时超短稳定化（传统工艺需数十小时）。通过热机械化学（thermo-mechanochemistry）精准调控纤维取向结构，在700°C超低温碳化条件下制备出拉伸强度2.08 GPa、模量193 GPa的碳纤维（CF），性能媲美石油基产品。

材料

SKL购自美国Ingevity公司，生物油来自爱荷华州立大学生物质热解中试装置。采用四级串联冷凝系统（含静电除尘器），最后两级冷凝器收集的LBO用于实验。

LBO组分

LBO主要含水和C1-C3有机酸（乙酸占比7.7%），总酸值（TAN）达164 mg KOH/g。GC/MS检测到酚类单体及低聚物（表S1），其酸性特质促进与SKL的酯化反应，显著降低T_g并提升熔体流动性。

结论

LBO改性SKL通过酯化作用和塑化效应实现熔纺加工性，其多组分特性使纤维4小时内完成稳定化。热机械张力控制可抑制纤维收缩并诱导分子取向，最终碳纤维呈现高度有序的类石墨（turbostratic）结构。该技术为生物炼制副产品高值化利用和碳中和目标提供了双赢策略。