廃棄物から次世代炭素繊維まで、デザインで表現する。 (By design: from waste to next-gen carbon fiber)
2022-08-18 ワシントン大学セントルイス
研究者たちは、新たに設計したハイウェルリグニンをポリアクリロニトリル（PAN）と組み合わせることで、より優れた炭素繊維の前駆体となり、さらに優れた特性を持つリサイクル可能なプラスチックの開発が可能になると考えていた。
リグニンの化学構造も分子量も均一ではないため、他のポリマーと組み合わせることが難しい。また、リグニンにはOH基が多く、酸素と水素が反応しあって水を引き寄せるため、炭素繊維のような硬い素材を作るには理想的ではありません。こうした発見から、リグニンの構造を再設計することを思いついた。
PANと組み合わせた場合、ハイウェルをベースにした炭素繊維は記録的な引張強度を持ち、標準的な炭素繊維よりも優れた機械的特性を示した。リサイクル可能なポリマーブレンドに添加すると、機械的特性が向上し、紫外線保護も改善された。
リグニンを炭素繊維に利用するための技術的な道筋ができた。
＜関連情報＞
リグニンの分子設計でグリーン・マニュファクチャリングに変革をもたらす Lignin molecular design to transform green manufacturing
Jinghao Li,Cheng Hu,Yun-Yan Wang,Xianzhi Meng,Sisi Xiang,Christopher Bakker,Katherine Plaza,Arthur J. Ragauskas,Susie Y. Dai,Joshua S. Yuan
Cell Press Matter Published:August 11, 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.07.011
Highlights
•The unique chemical design synergistically improved lignin chemical features
•The chemical design has derived HiMWELL to improve the properties of plastic blends
•The transformative features of HiMWELL underlie mechanism to enhance carbon fiber
•HiMWELL could be broadly applied to manufacture materials with improved properties
Summary
Lignin is the most abundant phenolic biopolymer on earth, representing an abundant feedstock for green manufacturing. Nevertheless, the diverse chemical linkages, heterogeneous functional groups, variable molecular weights, and amphiphilic structures all prevent the synthesis of fungible materials from lignin, leaving it as a predominantly low-value resource. On the basis of structure-property relationship, we synergistically overcome these challenges by chemical design of a type of lignin, high-molecular weight esterified linkage lignin (HiMWELL), with more uniform esterified linkages, larger molecular weight, and much lower OH group content via interunit substucture replacement. HiMWELL transforms lignin into a precursor for manufacturing renewable materials with drastically improved properties and functionality. The HiMWELL-based carbon fiber achieved a record tensile strength and better mechanical properties than the control polyacrylonitrile carbon fiber. HiMWELL also uniquely improved mechanical properties of the recyclable polymer blends and achieved UV-shading effects.
