Відходи целюлозного виробництва здешевили вуглецеве волокно на 25%

19 вересня 2026 р. 15:34

19 вересня 2026 р. 15:34

Інженери Вашингтонського університету в Сент-Луїсі показали, що відходи целюлозно-паперового виробництва можуть суттєво здешевити вуглецеве волокно. За їхніми розрахунками, новий підхід дозволяє знизити виробничі витрати приблизно на 25% і менше залежати від матеріалів, отриманих із нафти. Про це йдеться у матеріалі Interesting Engineering .

Команда розробила новий прекурсор вуглецевого волокна, в якому половину традиційного поліакрилонітрилу (PAN), синтетичного полімеру на основі нафти, замінили відходовим лігніном. Додатково в суміш ввели одностінні вуглецеві нанотрубки, щоб посилити внутрішню структуру волокон і покращити їхні механічні властивості.

Лігнін як заміна нафтополімерів

Вуглецеве волокно цінується за поєднання високої міцності та малої ваги. Його застосовують в автомобілях, літаках, вітрогенераторах, спортивному спорядженні та інших конструкціях, де важливо зменшити масу без втрати міцності. Однак стандартне виробництво сильно спирається на PAN, який може становити до половини загальної собівартості.

Новий підхід використовує лігнін — відновлюваний біополімер, що масово утворюється як побічний продукт під час виготовлення паперу та роботи біорафінерій. Це один з найпоширеніших природних полімерів на Землі, але великі його обсяги зазвичай спалюють або просто утилізують як відходи.

Замінивши частину PAN лігніном у прекурсорі вуглецевого волокна, дослідники змогли скоротити використання нафтополімеру на 50% . За їхньою оцінкою, таке рішення не лише зменшує витрати на виробництво на чверть, а й істотно знижує пов’язані з цим викиди вуглецю.

Нанотрубки як «арматура» на нано-рівні

Проте проста заміна PAN на лігнін виявилася недостатньою. Для високонавантажених застосувань вуглецеве волокно повинно мати добре впорядковану внутрішню структуру, інакше воно не забезпечить потрібну міцність. Цю проблему команда розв’язала завдяки одностінним вуглецевим нанотрубкам.

Нанотрубки діють як своєрідна наномасштабна арматура всередині полімерної суміші, спрямовуючи утворення кристалічних ділянок під час перетворення прекурсору у вуглецеве волокно. Як пояснює керівник роботи Джошуа Юань (Joshua Yuan), професор енергетичного, екологічного та хімічного інжинірингу у Школі інженерії McKelvey, «вирівнювання кристалізації є критично важливим для якості вуглецевого волокна».

Спочатку дослідники створили шаблон на основі нанотрубок, сумісний і з лігніном, і з PAN, який одночасно посилює кристалізацію та вирівнювання молекул. Отриманий розчин прекурсору проходив стадію мокрого прядіння: матеріал продавлювали крізь дрібні отвори, формуючи волокна.

Після цього волокна піддавали термообробці під натягом, а на завершальному етапі — оптимізованій карбонізації, що перетворює їх на вуглецеве волокно. Такий тристадійний процес збільшив частку кристалічної фази, а нанотрубки допомогли чітко зорієнтувати ці кристали.

Якість для автопрому з відходів

За словами команди, отримана структура виявилася настільки впорядкованою, що відповідає вимогам до вуглецевого волокна для автомобільної промисловості. Юань підкреслює, що поєднання лігніну та нанотрубок дало змогу створити відновлюване вуглецеве волокно з високим рівнем кристалічної впорядкованості, необхідним для використання в авто.

Здешевлення виробництва та менша залежність від нафтопродуктів можуть відкрити дорогу вуглецевому волокну в сегменти, де його висока ціна досі була бар’єром. Серед потенційних ринків автори називають не лише автомобілебудування, а й вітроенергетику, спортивний інвентар, авіакосмічні конструкції та енергетичну інфраструктуру.

Автомобілі описують як першу цільову сферу, адже легкі, але міцні матеріали особливо важливі для зниження маси машин і потенційної економії пального чи енергії. Якщо вартість вуглецевого волокна знизиться, його використання може вийти за межі преміальних моделей і спеціальних застосувань.

Робота демонструє підхід, у якому відновлюваний відходовий ресурс поєднують із нанопідсиленням, а не просто замінюють один компонент іншим. Вона також показує, як точний контроль внутрішньої структури волокна може компенсувати зміни хімічного складу. Автори стверджують, що вперше їм вдалося отримати відновлюване вуглецеве волокно, яке досягає стандартів якості, прийнятих в автомобільній промисловості.

Результати дослідження опубліковані в журналі Matter. Подальші роботи, ймовірно, будуть спрямовані на масштабування технології та перевірку її ефективності в промислових умовах.

Технології