Air-gap spinning of lignin-cellulose fibers
Doktorsavhandling, 2021

Co-processing of lignin and cellulose, the two main constituents of wood, has previously been identified as a potential route for the production of inexpensive and bio-based carbon fibers. The first step in this process is to spin a precursor fiber. This can be done with different techniques, and the specific characteristics of air-gap spinning of solutions containing lignin and cellulose were investigated in this work. Studies on how the addition of lignin to a cellulose solution affect the spinnability, the coagulation process, and the fiber structure and properties were performed.

In accordance with the hypothesis, it was found that it was possible to gain advantages from both materials, by combining cellulose and lignin. Cellulose is a stiff and linear polymer that contributed to the strength of the fiber, while lignin, with its high carbon content, enhanced the final yield after conversion into carbon fiber.

Additionally, solutions that contained both lignin and cellulose could be air-gap spun at substantially higher draw ratios than pure cellulose solutions. This improvement could not be explained with the shear rheology results, however, based on measurements of the take-up force during spinning it was proposed that lignin stabilize against diameter fluctuations during spinning. To analyze how lignin affects the coagulation of lignin-cellulose fibers the total mass transport during coagulation was studied. Different coagulation baths were used, and it was found that minor parts of the lignin leached out, the amount correlated to the lignin solubility in the coagulation bath. Nevertheless, from the results it could also be concluded that the addition of lignin to a cellulose solution did not hinder the coagulation of the fibers. Regarding the fiber structure, it was possible to analyze the molecular order of cellulose and lignin separately and the lignin was found to be completely disordered also in a stretched fiber. In contrast, cellulose attained a preferred molecular orientation even in fibers with high lignin ratios. To further assess the full potential of the system, the lignin-cellulose fibers that were produced were also converted into carbon fibers, and the mechanical properties are promising. In summary, it was considered that lignin-cellulose based carbon fibers have great potential in becoming commercially available if efforts are continued in increasing the strength and stiffness of the fibers even further together with the implementation of efficient solvent recycling.

cellulose

carbon fibers

ionic liquid

lignin

air-gap spinning

2034 (Pater Noster), Kemigården 4
Opponent: Prof. Michael Hummel, Department of Bioproducts and Biosystems, Aalto University, Finland

Författare

Jenny Bengtsson

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemiteknik, Skogsindustriell kemiteknik

Improved yield of carbon fibres from cellulose and kraft lignin

Holzforschung,; Vol. 72(2018)p. 1007-1016

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Mass transport and yield during spinning of lignin-cellulose carbon fiber precursors

Holzforschung,; Vol. 73(2019)p. 509-516

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Identifying breach mechanism during air-gap spinning of lignin–cellulose ionic-liquid solutions

Journal of Applied Polymer Science,; Vol. 136(2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The challenge of predicting spinnability: Investigating benefits of adding lignin to cellulose solutions in air-gap spinning

Journal of Applied Polymer Science,; Vol. 138(2021)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Kolfiber har många användningsområden, framförallt som det styrkebärande materialet i lättviktskompositer, och finns i allt från flygplan och vindkraftverk till musikinstrument och sportutrustning. Problemet är att dagens kommersiella kolfiber tillverkas av mycket dyra och fossilbaserade polymerfibrer, vilket i nuläget begränsar en ökad användning. Lättviktskompositer förstärkta med kolfibrer skulle till exempel även delvis kunna ersätta stål i personbilar och därmed sänka dess vikt och klimatpåverkan, men i dagsläget är denna övergång i de flesta fall för dyr.

Kolfiber tillverkas genom att en polymerfiber stegvis genomgår termiska behandlingar. I sökandet efter nya utgångsmaterial för kolfibertillverkning har lignin länge ansetts vara ett lovande alternativ. Lignin är en kolrik makromolekyl som finns i träd och andra växter. Det är en förhållandevis billig förnyelsebar resurs, eftersom det kan utvinnas som en biprodukt vid ett pappersmassabruk. Däremot har kolfibrer tillverkade av enbart lignin ännu inte kunnat leva upp till de krav på mekaniska egenskaper, styrka och styvhet, som krävs. Av denna anledning har fibrer tillverkade av blandningar av lignin med annan polymer numera fått allt större uppmärksamhet.

I denna avhandling användes en blandning av lignin och cellulosa för att tillverka fibrer genom tekniken luftgapsspinning. Spinntekniken går ut på att en polymer, eller en blandning som i detta fall, löses upp och därefter extruderas och omformas till kontinuerliga fibrer. Fibrerna fixeras därefter i ett koagulationsbad, som i detta arbete var vatten. Arbetet visar hur blandningen av lignin och cellulosa i lösningen påverkar de olika stegen av tillverkningsprocessen. Under arbetet analyserades lösningens sträckbarhet, koaguleringsförloppet och fibrernas slutgiltiga egenskaper. Sammanfattningsvis visar fibrer tillverkade av cellulosa och lignin lovande mekaniska egenskaper, och anses ha stor potential som framtida utgångsmaterial för kolfiberproduktion.

Ämneskategorier

Kemiteknik

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7905-491-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4958

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

2034 (Pater Noster), Kemigården 4

Opponent: Prof. Michael Hummel, Department of Bioproducts and Biosystems, Aalto University, Finland

Mer information

Senast uppdaterat

2021-05-07