Углеродное волокно из лигнина

Углеродное волокно — это пучок графитовых кристаллитов, чьи базальные плоскости лежат параллельно оси волокна; жёсткость и прочность следуют из этой ориентации, и весь выбор прекурсора — стратегия её получения. Два действующих чемпиона владеют двумя возможными стратегиями. Полиакрилонитрил — линейная цепь: её можно вытянуть при прядении, выстроив молекулы, а затем циклизовать и карбонизовать так, что ориентация переживёт переход в графит. Мезофазный пек — жидкий кристалл: дискообразные полиароматические молекулы сами выстраиваются в потоке через фильеру, давая самые жёсткие волокна из существующих. Оба маршрута зрелы, а прекурсор, особенно ПАН, — крупнейшая единичная статья стоимости волокна. Лигнин входит как дешёвый ароматический аутсайдер.

Аморфный пек

По строению лигнин ближе к пеку, чем к ПАН, — полиароматическое твёрдое тело, собранное случайно, размягчающееся и текущее от нагрева. В этом его предложение: ароматика и углерод уже на месте, сырьё — побочный продукт целлюлозного производства, а расплавный маршрут не требует растворителей. Подвох — в том же предложении: пек для волокна — мезофаза, упорядоченный жидкий кристалл, самоориентирующийся, а лигнин аморфен и, разогревшись выше точки размягчения, начинает отверждаться, как реактопласт. Цепи, которую можно тянуть, нет, жидкокристаллического порядка нет, поэтому ориентация берётся только сдвигом в фильере, и полученные волокна лежат далеко ниже аэрокосмической прочности. Углеволокно из лигнина — волокно общего назначения: честное сравнение с товарным углеволокном, а не с чемпионами из ПАН.

Прядение реактопласта

Расплавное прядение требует расплава вязкого, стабильного и без пузырей на протяжении минут, проведённых в горячем виде. Необработанный лигнин проваливает все три пункта: широкий диапазон размягчения, склонность сшиваться прямо в цилиндре и летучие группы, которые выделяются газом и оставляют пустоты в филаменте. Ацетилирование — блокировка фенольных гидроксилов — снижает температуру размягчения, сужает окно расплава и делает чисто лигниновое расплавное прядение работоспособным; альтернатива — смешение с ПАН, возвращающее технологичность и прочность ценой биосодержания. Дальше идёт термостабилизация — окислительное сшивание, позволяющее волокну пережить карбонизацию, — медленный подъём температуры на воздухе: часы на один проход и настоящий узкий участок всей цепи пропускной способности для любого прекурсора. Низкая точка размягчения лигнина делает его склонным к спеканию на этом шаге, поэтому его режимы идут медленнее ПАН.

Пустоты, вариативность и подходящий рынок

Углеволокно лимитируется дефектами: прочность подчиняется крупнейшему изъяну, а не среднему качеству. Слабости лигнина — сплошные фабрики изъянов: гетерогенность молекулярных масс и состава, зола и сера от целлюлозного процесса, разброс от партии к партии между породами и сезонами, — и каждая печатает поры и слабые места в филаменте. Экономическая инверсия потому резкая: самый дешёвый прекурсор даёт наименее однородное волокно, а однородность — это то, за что платит высокая цена высокоэффективного класса. Обороне поддаётся именно та точка, где логика переворачивается обратно: облегчённые композиты для автомобилей, ветра и спорта, где волокно из биосырья за малую долю цены прекурсора может выигрывать по цене за сэкономленный килограмм, проигрывая в прочности на разрыв. Предельные величины — ориентация, которую лигнину нельзя придать, и популяция дефектов, которую его гетерогенность постоянно восполняет.