木质素-乙酸纤维素基碳纤维中共价键连接对其形貌、相演变及性能调控机制的研究

Renewable lignin and cellulose-acetate as precursor materials instead of petroleum based polymers to prepare high performance pure biomass based carbon fibers has attracted much attention. This project aims to resolve the bottleneck problem in the preparation of biomass based carbon fiber, such as the phase separation, fiber morphology collapse, and fibers melting, and then improve the properties of the carbon fibers. The excellent thermodynamic stability of lignin and the good spinnability of cellulose acetate are combined through covalent bonds. A large number of research work has been planned to clarify the impact of covalent bond number, molecule conformation, molecular weight and distribution on fiber morphology, yield, degree of graphitization, tensile strength and specific surface area of carbon fiber obtained. And then, the molecular structure of precursor materials is optimized to improve the low heating rate, long holding time, low graphitization degree and poor performance of biomass based carbon fiber. Finally, the influence of microscopic structure and phase evolution conditions on carbon fiber performance is established, which provides a theoretical basis for the preparation of high performance biomass based carbon fiber.

采用绿色可再生的木质素与乙酸纤维素作为前驱体原料以替代石油基聚合物制备高性能纯生物质基碳纤维备受关注。为了解决目前木质素与乙酸纤维素预氧化及碳化过程中出现的相分离、纤维形貌崩塌熔融和性能不理想等问题，本项目拟通过聚氨酯反应实现木质素与乙酸纤维素分子间的共价键连接。从分子层面上解决木质素优越的热力学稳定性与乙酸纤维素良好的可纺性相结合的问题，以揭示共价键连接数量、分子空间构型构象、分子量大小与分布等因素对于生物质基碳纤维制备过程中形貌的保持、得率的提高、石墨化程度的改善、比表面积及拉伸强度的影响关系。进而优化前驱体原料的分子结构，解决生物质基碳纤维预氧化及碳化过程中升温速率较低、保温时间较长、石墨化程度及性能较差等问题，实现低耗能制备高性能生物质基碳纤维。最终建立微观分子结构和相演变条件与宏观碳纤维性能之间的应答关系，为实现高性能生物质基碳纤维的制备提供理论依据。

采用绿色可再生的木质素与乙酸纤维素作为前驱体原料以替代石油基聚合物制备高性能纯生物质基碳纤维备受关注。为了解决目前木质素与乙酸纤维素预氧化及碳化过程中出现的相分离、纤维形貌缺陷和性能不理想等问题，本项通过聚氨酯反应实现木质素与乙酸纤维素分子间的共价键连接。从分子层面上解决木质素优越的热力学稳定性与乙酸纤维素良好的可纺性相结合的问题。进而优化前驱体原料的分子结构，解决生物质基碳纤维预氧化及碳化过程中升温速率较低、保温时间较长、石墨化程度及性能较差等问题，实现低耗能制备高性能生物质基碳纤维。最终建立微观分子结构和相演变条件与宏观碳纤维性能之间的应答关系，为实现高性能生物质基碳纤维的制备提供理论依据。.通过本项目的实施得到如下结论：1明具有更线性结构的木质素分子对于木质素分子的化学改性和静电纺丝制备纳米纤维方面具有明显优势。2木质素分子量对于木质素基碳纤维的物理化学性质具有重要影响。3无机元素的引入可以有效改善生物质基碳纤维制备过程中的耗能问题。.本项目实施过程中存在的问题：由于高分子材料制备过程中分子链运动过程复杂且严重受到分子内链段相互作用和外界化学环境的影响，简单将木质素一级结构表征结果与其二级结构中的分子链构象进行对应联系是不准确的。特别是在制备木质素基材料时，木质素分子时常要分散溶解于溶剂中以满足化学改性或与其他高分子共混成型的需要。在此过程中，木质素分子链构象会随着外界化学环境的变化而不断转变。因此，研究溶剂加工过程中木质素化学结构对其分子链构象的影响规律并进行干预以达到调控目的将是下一步研究的重点。.本项目的实施过程中共发表与研究项目相关论文11篇、申请发明专利6项、授权发明专利2项。