فصلنامه علمی بسپارش

فصلنامه علمی بسپارش

لیگنین به‌عنوان پیش‌ماده‌ای تجدیدپذیر برای تولید الیاف کربن: مزایا، چالش‌ها و کاربردهای نوظهور

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان
گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
10.22063/basparesh.2026.35903.1777
چکیده
الیاف کربن به‌دلیل نسبت استحکام به وزن بسیار بالا، مدول کشسانی مناسب و چگالی پایین، از مواد کلیدی در صنایع پیشرفته مانند خودروسازی، هوافضا و انرژی‌های تجدیدپذیر محسوب می‌شوند. با این حال، هزینه زیاد پیش‌ماده‌های متداول نفتی، به‌ویژه پلی‌آکریلونیتریل و وابستگی به منابع فسیلی، محدودیت مهمی برای توسعه و تجاری‌سازی گسترده آن ایجاد کرده است. در این میان، لیگنین به‌عنوان فراوان‌ترین پلیمر آروماتیک طبیعی و یکی از محصولات جانبی اصلی صنایع خمیرکاغذ و پالایشگاه‌های زیستی، به‌دلیل قیمت پایین، فراوانی و محتوای کربن زیاد، به‌عنوان یک پیش‌ماده زیست‌پایه جذاب برای تولید الیاف کربن مطرح است. این مقاله، ضمن بررسی وضعیت موجود صنعت الیاف کربن و طبقه‌بندی آن‌ها بر اساس نوع پیش‌ماده و کیفیت، به تحلیل ساختار شیمیایی و فیزیکی لیگنین می‌پردازد. انواع لیگنین‌های صنعتی و ویژگی‌های آن‌ها در کنار مزایا و محدودیت‌های استفاده از این ماده در فرآیند تولید الیاف کربن بررسی شده‌اند. همچنین، مراحل کلیدی فرآیند شامل ریسندگی، پایدارسازی حرارتی، کربونیزاسیون و گرافیتی‌سازی مورد توجه قرار گرفته و چالش‌های فنی مراحل تشریح شده است. یافته‌ها نشان می‌دهد که اگرچه لیگنین از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی یک گزینه بسیار مطلوب است و الیاف کربن حاصل از آن پتانسیل زیادی برای کاربردهای الکتروشیمیایی دارد، اما ناهمگنی ساختاری، توزیع گسترده وزن مولکولی، شکنندگی ذاتی، ضعف در قابلیت ریسندگی و رفتار نامطلوب در مرحله پایدارسازی موجب محدودیت در دستیابی به خواص مکانیکی در حد الیاف کربنی مبتنی بر پلی‌آکریلونیتریل می‌شود. با این وجود، اصلاح ساختار لیگنین و بهینه‌سازی فرآیندها می‌تواند باعث توسعه الیاف کربن با کیفیت، کم‌هزینه و پایدار مبتنی بر لیگنین باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Lignin as a Renewable Precursor for Carbon Fiber Production: Advantages, Challenges, and Emerging Applications

نویسندگان English

Melika Daraki
Yahya Hamzeh
Mohammad Azadfallah
Ali Abdulkhani
Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
چکیده English

Regarding the exceptionally high strength to weight ratio, suitable elastic modulus, and low density, carbon fibers are considered key materials in advanced industries. However, the high cost of conventional petroleum-based precursors, particularly polyacrylonitrile, and the dependency on fossil resources impose significant limitations on the widespread development and commercialization of these materials. In this regard, lignin as the most abundant natural aromatic polymer and by-product of the pulping industry and biorefineries has emerged as an attractive bio-based precursor for carbon fiber production due to its economic, high abundance, and rich carbon content. This paper reviews the current status of the carbon fiber industry and classifies them based on precursor type and quality, while analyzing the chemical and physical structures of native and technical lignin. Various types of technical lignins and their characteristics, along with the advantages and limitations of utilizing this material in the carbon fiber manufacturing process are evaluated. Furthermore, the key processing steps of carbon fiber production is addressed, and the technical challenges of each stage are elucidated. The findings indicate that while lignin is a highly desirable option from both economic and environmental aspects, and its derived carbon fibers hold great potential for electrochemical applications. However, several bottlenecks including structural heterogeneity, broad molecular weight distribution, intrinsic brittleness, poor spinnability, and unfavorable behavior during the stabilization stage limit the attainment of mechanical properties comparable to polyacrylonitrile-based carbon fibers. Nevertheless, structural modification of lignin and process optimization can lead to the development of high-quality, low-cost, and sustainable lignin-based carbon fibers.

کلیدواژه‌ها English

Carbon fibers
Precursors
Bio-precursors
Industrial lignin
Lignin structure

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 18 آبان 1405