新型木質炭纖維的研究與應用

炭纖維既有炭材料的固有特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是先進復合材料最重要的增強材料，已在軍事及民用工業的各個領域得到廣泛應用．目前炭纖維的生產原料主要來源于化石資源，隨著人們環境保護意識的日益增強以及化石資源的逐漸枯竭，為減少開采化石資源對地球生態環境的負面影響，降低炭纖維對化石資源原料的依賴，利用可再生資源替代化石資源制備炭纖維材料已經備受國內外關注．

木質資源種類繁多，分布廣泛，蘊藏量極其豐富且價格低廉，是一種非常重要的可再生資源．據統計，每年光合作用生產的植物生物質約2,000億t，相當于世界每年消費總能源的10倍，其中樹木固定的木質生物質占90%～95%．另外，據統計我國每年僅稻草、麥稈、蔗渣、蘆葦、竹子等木質資源的年產量就超過 10億t，同時還擁有大量的木材加工剩余物(每年約有2,000萬m3)．盡管這些木質資源是天然存在的可再生碳元素的載體，但木質資源的難溶難熔性增加了其加工利用難度，因此利用新技術開發具有自主知識產權的新型木質炭材料對于提高木質資源的利用率和附加值顯得尤為迫切．

天津科技大學包裝與印刷工程學院馬曉軍教授科研團隊在長期研究木材液化技術的基礎上，創新地提出以木材液化物產物為原料制備生物質炭材料的研究思路．通過十多年的聯合攻關，團隊在科技部、國家自然科學基金委員會、國家林業局等部門的資助下，從基礎理論、工藝技術和功能化應用等方面，成功解決了木材液化物成型困難、初紡纖維強度較低、炭材料產品單一等困擾生物質炭材料的發展瓶頸問題，實現了木質生物質高效高值化利用及新型木質炭材料的重大創新與突破．主要包括：(1)針對木材液化物成型困難、利用附加值低等問題，提出木材苯酚液化物紡絲液的合成工藝以及原絲固化工藝技術，探究了紡絲液和原絲的分子結構轉變過程以及化學反應歷程，闡明了木質炭纖維的石墨微晶形成以及石墨化轉化過程，從微觀角度揭示了其轉變形成機理，并成功獲得與通用型炭纖維強度相同的木質炭纖維增強材料．(2)以木炭粉為制孔擴孔劑獲取高比表面積和超強吸附性能的介孔型木材液化物活性炭纖維(比表面積為 2,605,m2/g、總孔容為 1.433,cm3/g，中孔率達 86.8%)，從木材液化物活性炭纖維微觀結構出發，闡明了木材液化物活性炭纖維多級孔結構的形成過程，建立了生物質多孔炭材料的孔隙調控技術．(3)為克服傳統光催化材料在可見光下催化失效的缺陷，提出了溶膠凝膠浸漬法制備TiO2、Mn、N/TiO2負載木材液化物活性炭纖維光催化復合材料的工藝技術，探索了Mn摻雜對木材液化物活性炭纖維復合材料吸附性能和光催化活性的影響機理，揭示了金屬-非金屬共摻雜納米 TiO2負載木材液化物活性炭纖維的協同作用機制，合成得到了紫外可見雙光源下甲醛降解率達 90%以上的吸附-光催化復合材料．團隊研究成果獲得科技成果鑒定 3項，開發出 6種木質炭纖維及功能化新材料產品，在浙江、北京、沈陽等地的多家企業進行了推廣應用，取得了較好的經濟效益．

近年來，團隊承擔完成國家級項目 3項，省部級項目 6項，公開發表論文 100余篇，其中 SCI、EI收錄 50余篇，申請國家發明專利10余項，其中已授權發明專利6項，其相關研究論文獲2014年第五屆梁希青年論文三等獎、2016年第六屆梁希青年論文二等獎．另外，“木材剩余物溶液化產物制備炭素纖維材料的關鍵技術研究”被評為2016年全國木材節約代用優秀課題研究及示范項目．團隊研究成果對于指導功能性木質生物質材料的設計合成，提高木質生物質材料附加值，擴展木質生物質炭材料的應用領域具有重要的理論和現實意義．