Biobased carbon fibers from solution spun lignocellulosic precursors

• Carbon fibers (CFs) have excellent mechanical properties and a low density, making themattractive as a reinforcing fiber in composites. The use of CFs is limited to high-end applications,since they are produced from an expensive fossil-based precursor via an energy-intensivemanufacturing process, explaining the need for cheaper CFs from renewables. CFs can be madefrom strong cellulosic precursors, but the low carbon content of cellulose results in a lowconversion yield, and thus an expensive CF. Lignin has a higher carbon content than cellulose butCFs from melt spun lignin precursors have presented challenges, since these precursors have a lowstrength and are difficult to convert to CF in a realistic conversion time.In the present work, CFs from solution spun precursors consisting of blends of softwood kraftlignin and cellulose have been developed. The lignin-cellulose precursors (up to 70% lignin) wereprepared with air-gap spinning and wet spinning, using an ionic liquid and a water-based solventsystem for co-dissolution, respectively. Co-processing of cellulose and lignin was beneficial as theformer made the precursor strong and easy to handle, whereas the latter gave a higher conversionyield than precursors based solely on cellulose. The precursors were converted to CFs via bothbatchwise and continuous conversion, using industrially relevant times (< 2 h), with a yield up to45 wt% after incorporation of a flame retardant.These CFs have a moderate Young’s modulus and tensile strength up to 75–77 GPa and 1.2 GPa,respectively, i.e. similar to the values for CFs from fossil-based isotropic pitch and they can thusbe classified as general-grade CFs. These biobased CFs have a disordered turbostratic graphitestructure, and their tensile properties are affected by the precursor structure, the conversionconditions, and the final diameter. These CFs can potentially be used as a sustainable componentin non-structural and semi-structural applications.

• Kolfibrer har utmärkta mekaniska egenskaper och en låg densitet, vilket gör dem attraktiva somstyrkebärande komponent i kompositer. Kolfibrer används främst i applikationer där god prestandaöverväger dess höga kostnad, vilken grundar sig i användandet av en dyr fossilbaserad startfibersom konverteras till kolfiber i en energikrävande process, vilket förklarar behovet av billigarekolfibrer från förnyelsebara råvaror. Kolfibrer kan tillverkas från starka cellulosabaseradestartfibrer, men cellulosans låga kolinnehåll resulterar i ett lågt utbyte, vilket leder till en dyrkolfiber. Lignin har ett högre kolinnehåll och har smältspunnits, men den låga styrkan hosstartfibern samt den långa konverteringstiden är utmanande.I detta arbete har kolfibrer utvecklats från lösningsmedelsspunna startfibrer innehållandeblandningar av barrvedslignin och cellulosa. Startfibrerna, innehållande upp till 70% lignin, harspunnits med luftgapsspinning samt våtspinning, där en jonvätska respektive ett vattenbaseratlösningsmedelssystem använts. Att samprocessa cellulosa och lignin var fördelaktigt eftersom denförstnämnda gjorde startfibrerna starka och lätthanterliga medan den sistnämnda ökadekonverteringsutbytet jämfört med cellulosabaserade startfibrer. Kolfibrer framställdes både satsvisoch kontinuerligt under industriellt relevanta tider (<2 timmar), med ett konverteringsutbyte upptill 45% efter tillsats av ett flamskyddsmedel.Dessa kolfibrer har en relativt låg elasticitetsmodul om 75–77 GPa och dragstyrka om 1.2 GPa,vilket är i paritet med kolfibrer från fossilbaserad isotrop stenkolstjära, vilket gör att de kanklassificeras som kolfibrer av intermediär kvalitet. Kolfibrerna har en oordnad turbostratiskgrafitstruktur, och de mekaniska egenskaperna påverkas av konverteringsbetingelserna,startfiberns struktur samt slutdiametern. Dessa kolfibrer kan potentiellt användas som en hållbarkomponent i icke- samt partiellt-styrkebärande applikationer.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Pappers-, massa- och fiberteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Paper, Pulp and Fiber Technology (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Kompositmaterial och -teknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Composite Science and Engineering (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Materialkemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Materials Chemistry (hsv//eng)

Nyckelord

Carbon fiber

Carbonization

Cellulose

Kraft pulp

Softwood kraft lignin

Solution spinning

Stabilization

Barrvedslignin

Cellulosa

Karbonisering

Kolfiber

Lösningsmedelsspinning

Stabilisering

Sulfatmassa

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)