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從分餾木質素中得到高品質碳纖維

傳統上商業碳纖維大部分由聚丙烯腈(Polyacrylonitrile, PAN)合成，但是價格昂貴為其最大問題，往往佔了一個產品50%以上的成本。因此，從天然木質素中合成碳纖維以取代PAN為降低危害風險與成本的可行辦法。雖然木質素為地球上含量最豐富的生物聚合物之一，但是不管在木質纖維素生物精煉或紙漿及造紙工業中，木質素的運用仍有重大的挑戰。
由於木質素為不同分子量、官能基化合物組成的芳香族聚合物，相較於PAN合成之均質碳纖維，木質素碳纖維最大的阻礙為異質性高(heterogeneous)及機械性能不好。本研究發展一個新方法去分餾及改質木質素，藉由酵素-介質系統提煉出不同分子量、官能基及單一內鏈的木質素。一般而言，分餾的木質素其混溶性及可紡性會提高，尤其是不溶的木質素碳纖維在XRD及拉曼光譜觀察下發現其亂層碳結構(無定型碳結構)有所改善，而碳結構的改善對於彈性模量[註1]也有顯著改善。
本研究結果發現：分餾出的木質素分子量越大，氫氧基會越少，且會有更多的線性結構，對於木質素碳纖維結晶及機械性能皆有所改善。此技術性的突破發展出具有與商業碳纖維相似彈性模量的木質素碳纖維，在取代PAN成為優質碳纖維的路途中開闢了一個康莊大道。
註1：彈性模量是指當有力施加於物體或物質時，其彈性變形（非永久變形）趨勢的數學描述。物體的彈性模量定義為彈性變形區的應力－應變曲線的斜率。
詳細論文內容請參閱：LI, Qiang, et al. Quality Carbon Fiber from Fractionated Lignin. Green Chemistry, 2017.