الیاف کربنی، ماده‌ای سبک اما بسیار مقاوم است که برای تقویت پلاستیک در خودروها، هواپیماها، توربین‌های بادی، تجهیزات ورزشی و زیرساخت‌های انرژی استفاده می‌شود. با این حال، بیشتر الیاف کربنی با استفاده از مواد شیمیایی مبتنی بر نفت تولید می‌شوند.

تولید این مواد هزینه‌بر است و می‌تواند به انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر شود، به همین دلیل پژوهشگران بررسی کردند که آیا «لیگنین»، ماده‌ای طبیعی و فراوان، می‌تواند جایگزین بخشی از مواد نفتی مورد استفاده برای تولید الیاف کربنی شود یا خیر.

«لیگنین» به استحکام و ساختار گیاهان کمک می‌کند و دومین پلیمر طبیعی فراوان روی زمین به شمار می‌رود. این ماده در مقادیر زیادی به‌عنوان محصول جانبی فرایند تولید خمیر کاغذ و پالایش زیستی تولید می‌شود. بخش زیادی از «لیگنین» به‌عنوان ماده زائد در نظر گرفته می‌شود و دفع آن می‌تواند پیامدهای زیست‌محیطی قابل‌توجهی به همراه داشته باشد.

تبدیل «لیگنین» به الیاف کربنی می‌تواند کاربرد ارزشمندی برای این ماده زائد ایجاد کند و همزمان وابستگی صنعت به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد.

الیاف کربنی سنتی معمولا با ماده‌ای مصنوعی به نام «پلی‌اکریلونیتریل» (PAN) تولید می‌شود. این ماده که از نفت به دست می‌آید، با مواد شیمیایی ترکیب و از منافذ بسیار کوچک عبور داده می‌شود تا الیاف نازک تشکیل شود. سپس الیاف شسته، کشیده و حرارت داده می‌شوند تا به الیاف کربنی مقاوم تبدیل شوند.

«پلی‌اکریلونیتریل»، گران‌قیمت و ممکن است تا نیمی از هزینه کلی تولید الیاف کربنی را به خود اختصاص دهد. همین هزینه بالا باعث شده است استفاده از این ماده عمدتا به محصولات گران‌قیمت محدود شود.

گروه پژوهشی دانشگاه واشنگتن با افزودن «لیگنین» ارزان و فراوان به فرایند تولید، توانست میزان «پلی‌اکریلونیتریل» مورد نیاز را به نصف کاهش داد. این روش همچنین هزینه تولید را حدود ۲۵ درصد کمتر و انتشار کربن را نیز به میزان قابل توجهی کم کرد.

با این حال، کاهش هزینه، تنها بخشی از چالش پژوهشگران بود، ماده جدید باید از نظر استحکام و سختی نیز الزامات صنعت خودروسازی را برآورده می‌کرد.

پژوهشگران برای بهبود عملکرد این ماده، نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره را به ترکیب «لیگنین» و «پلی‌اکریلونیتریل» اضافه کردند. این ساختارهای بسیار کوچک تا حدی مانند میلگردهای فولادی در بتن عمل و به هدایت و هم‌راستا شدن ساختار بلوری ماده هنگام تشکیل الیاف کربنی کمک کردند.

گروه پژوهشی ابتدا چارچوبی از نانولوله‌های کربنی ایجاد کرد که به‌خوبی با «لیگنین» و «پلی‌اکریلونیتریل» ترکیب می‌شد. سپس محلول حاصل با استفاده از فرایندی به نام «ریسندگی مرطوب» به الیاف تبدیل شد. الیاف در ادامه کشیده، حرارت داده و کربونیزه شدند تا استحکام نهایی خود را به دست آورند.

مجموع این مراحل، ساختاری داخلی هماهنگ و ویژگی‌های مکانیکی مطلوب ایجاد کرد. پژوهشگران اظهار کردند الیاف کربنی تجدیدپذیر حاصل از این فرایند به استانداردهای کیفی مورد نیاز برای تولید خودرو رسید.  خودروها می‌توانند یکی از نخستین بازارهای این فناوری باشند اما کاربردهای احتمالی آن بسیار گسترده‌تر است. الیاف کربنی در محصولاتی از دوچرخه و راکت تنیس گرفته تا هواپیما و توربین‌های بادی استفاده می‌شود.

تک نیوز گزارش کرد، اگر این فرایند در مقیاس بزرگ نیز با موفقیت اجرا شود، می‌تواند ماده زائد صنعتی رایج را به ماده‌ای ارزشمند تبدیل و همزمان الیاف کربنی را ارزان‌تر و سازگارتر با محیط زیست کند.

یافته‌های این پژوهش در نشریه Matter منتشر شده است.

انتهای پیام