Strukturelle Untersuchungen an Lignin-basierten Carbonfasern

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und strukturelle Untersuchung von Lignin-basierten Carbonfasern und Präkursorsystemen. Es wurde ein neuartiges Konzept zur kontrollierten Kettenverlängerung von Lignin entwickelt, das niedermolekulares technisches Lignin in ein maßgeschneidertes, linearisiertes und orientierbares Präkursorpolymer für Carbonfasern transformiert. Das Konzept umfasste die Copolykondensation von Lignin mit einem geeigneten Verknüpfer unter Ausbildung von Methylenbrücken. Durch Variation der Stöchiometrie zwischen Lignin und Verknüpferverbindung konnte der Verzweigungsgrad im Produkt beeinflusst und minimiert werden. Das resultierende polymere Lignin wies Molekulargewichtserhöhungen von Faktor 20 (Mn) bis zu 200 (Mw) auf. Strukturelle Untersuchungen belegten einen quasi-linearen Molekulargewichtsaufbau. Das so maßgeschneiderte polymere Lignin konnte erfolgreich zu feinen Multifilament Präkursorfasern trockenversponnen werden. Die bei 1000 °C carbonisierten Fasern auf der Basis von 90 Gew.-% reinem Lignin wiesen sehr starke strukturelle Ähnlichkeiten mit der PAN-basierten kommerziellen Carbonfaser Toray T300 auf. The aim of this work was the development and structural investigation of lignin-based carbon fibers and precursor systems. A novel concept for the controlled chain extension of lignin was developed, which transforms low molecular technical lignin into a tailor-made, linearized and orientable precursor polymer for carbon fibers. The concept included the copolycondensation of lignin with a suitable linker to form methylene bridges. By varying the stoichiometry between lignin and linker compound, the degree of branching in the product could be influenced and minimized. The resulting polymeric lignin showed molecular weight increases from factor 20 (Mn) up to 200 (Mw). Structural investigations demonstrated a quasi-linear molecular weight increase. The tailor-made polymeric lignin was successfully dry spun into fine multifilament precursor fibers. The fibers carbonized at 1000 °C on the basis of 90 wt.-% pure lignin showed very strong structural similarities with the PAN-based commercial carbon fiber Toray T300.