It is in the nature of the human species to find solutions of complex technical problems and always strive for improvements. The development of new materials is not an exception. One of the many man-made materials is carbon fibre (CF). Its excellent mechanical properties and low density have made it attractive as the reinforcing agent in lightweight composites. However, the high price of CF originating from expensive production is currently limiting CF from wider utilisation, e.g. in the automotive sector.

The dominating raw material used in CF production is petroleum-based polyacrylonitrile (PAN). The usage of fossil-based precursors and the high price of CF explain the strong driving force of finding cheaper and renewable alternatives. Lignin and cellulose are renewable macromolecules available in high quantities. The high carbon content of lignin is an excellent property, while its structural heterogeneity yields in CF with poor mechanical properties. In contrast, cellulose has a beneficial molecular orientation, while its low carbon content gives a low processing yield and thus elevates processing costs.

This work shows that several challenges associated with CF processing of each macromolecule can be mastered by co-processing. Dry-jet wet spun precursor fibres (PFs) made of blends of softwood kraft lignin and kraft pulps were converted into CF. The corresponding CFs demonstrated significant improvement in processing yield with negligible loss in mechanical properties relative to cellulose-derived CFs. Unfractionated softwood kraft lignin and paper grade kraft pulp performed as good as more expensive retentate lignins and dissolving grade kraft pulp, which is beneficial from an economic point of view.

The stabilisation stage is considered the most time-consuming step in CF manufacturing. Here it was shown that the PFs could be oxidatively stabilised in less than 2 h or instantly carbonised without any fibre fusion, suggesting a time-efficient processing route. It was demonstrated that PF impregnation with ammonium dihydrogen phosphate significantly improves the yield but at the expense of mechanical properties.

A reduction in fibre diameter was beneficial for the mechanical properties of the CFs made from unfractionated softwood kraft lignin and paper grade kraft pulp. Short oxidative stabilisation (<2 h) of thin PFs ultimately provided CFs with tensile modulus and strength of 76 GPa and 1070 MPa, respectively. Considering the high yield (39 wt%), short stabilisation time and promising mechanical properties, the concept of preparing CF from lignin:cellulose blends is a very promising route.

Det ligger i människans natur att hitta lösningar på komplexa tekniska problem, samt att alltid sträva efter förbättringar. Utvecklingen av nya material är inget undantag. Ett av flera material utvecklade av människan är kolfiber. Dess utmärkta mekaniska egenskaper samt låga densitet har gjort det attraktivt som förstärkningsmaterial i lättviktskompositer. Det höga priset på kolfiber, vilket härstammar ur en kostsam framställningsprocess, har förhindrat en mer utbredd användning i exempelvis bilindustrin.

Det dominerande råmaterialet för kolfiberframställning är petroleumbaserad polyacrylonitril (PAN). Användandet av fossila råvaror och det höga priset på kolfiber förklarar den starka drivkraften att hitta billigare och förnyelsebara alternativ. Lignin och cellulosa är förnyelsebara makromolekyler som finns tillgängliga i stora kvantiteter. Det höga kolinnehållet i lignin gör det mycket attraktivt som råvara för kolfiberframställning, men dess heterogena struktur ger en kolfiber med otillräckliga mekaniska egenskaper. Däremot har cellulosa en molekylär orientering som är önskvärd vid framställning av kolfiber, men dess låga kolinehåll ger ett lågt processutbyte som i sin tur bidrar till höga produktionskostnader.          

Det här arbetet visar att många av de problem som uppstår med kolfiber från respektive råvara kan kringgås genom att utgå från blandningar av desamma. Prekursorfibrer från blandningar av kraftlignin och kraftmassa från barrved tillverkade med luftgapsspinning konverterades till kolfiber. Utbytet för kolfibrerna som framställdes var mycket högre än vid framställning från endast cellulosa. Ofraktionerat barrvedslignin och kraftmassa av papperskvalitet presterade lika bra som de dyrare retentatligninen och dissolvingmassan, vilket är fördelaktigt ur ett ekonomiskt perspektiv.

Stabilisering är det mest tidskrävande processteget i kolfibertillverkning. I det här arbetet visades det att prekursorfibrerna kunde stabiliseras på kortare än två timmar, eller direktkarboniseras utan någon sammansmältning av fibrerna. Detta indikerar att en tidseffektiv produktion kan vara möjligt. Impregnering av prekursorfibrerna med ammoniumdivätefosfat ökade utbytet avsevärt, men med lägre mekaniska egenskaper som bieffekt.        

Kolfibrernas mekaniska egenskaper ökade vid en diameterreduktion. En kort oxidativ stabilisering under två timmar i kombination med tunna prekursorfibrer gav kolfiber med en elasticitetsmodul på 76 GPa och dragstyrka på 1070 MPa. Att göra kolfiber från blandningar av lignin och cellulosa är ett lovande koncept om det höga utbytet (39%), den korta stabiliseringstiden samt de lovande mekaniska egenskaperna tas i beaktande. 

Carbon fibers (CFs) have excellent mechanical properties and a low density, making themattractive as a reinforcing fiber in composites. The use of CFs is limited to high-end applications,since they are produced from an expensive fossil-based precursor via an energy-intensivemanufacturing process, explaining the need for cheaper CFs from renewables. CFs can be madefrom strong cellulosic precursors, but the low carbon content of cellulose results in a lowconversion yield, and thus an expensive CF. Lignin has a higher carbon content than cellulose butCFs from melt spun lignin precursors have presented challenges, since these precursors have a lowstrength and are difficult to convert to CF in a realistic conversion time.In the present work, CFs from solution spun precursors consisting of blends of softwood kraftlignin and cellulose have been developed. The lignin-cellulose precursors (up to 70% lignin) wereprepared with air-gap spinning and wet spinning, using an ionic liquid and a water-based solventsystem for co-dissolution, respectively. Co-processing of cellulose and lignin was beneficial as theformer made the precursor strong and easy to handle, whereas the latter gave a higher conversionyield than precursors based solely on cellulose. The precursors were converted to CFs via bothbatchwise and continuous conversion, using industrially relevant times (< 2 h), with a yield up to45 wt% after incorporation of a flame retardant.These CFs have a moderate Young’s modulus and tensile strength up to 75–77 GPa and 1.2 GPa,respectively, i.e. similar to the values for CFs from fossil-based isotropic pitch and they can thusbe classified as general-grade CFs. These biobased CFs have a disordered turbostratic graphitestructure, and their tensile properties are affected by the precursor structure, the conversionconditions, and the final diameter. These CFs can potentially be used as a sustainable componentin non-structural and semi-structural applications.

Kolfibrer har utmärkta mekaniska egenskaper och en låg densitet, vilket gör dem attraktiva somstyrkebärande komponent i kompositer. Kolfibrer används främst i applikationer där god prestandaöverväger dess höga kostnad, vilken grundar sig i användandet av en dyr fossilbaserad startfibersom konverteras till kolfiber i en energikrävande process, vilket förklarar behovet av billigarekolfibrer från förnyelsebara råvaror. Kolfibrer kan tillverkas från starka cellulosabaseradestartfibrer, men cellulosans låga kolinnehåll resulterar i ett lågt utbyte, vilket leder till en dyrkolfiber. Lignin har ett högre kolinnehåll och har smältspunnits, men den låga styrkan hosstartfibern samt den långa konverteringstiden är utmanande.I detta arbete har kolfibrer utvecklats från lösningsmedelsspunna startfibrer innehållandeblandningar av barrvedslignin och cellulosa. Startfibrerna, innehållande upp till 70% lignin, harspunnits med luftgapsspinning samt våtspinning, där en jonvätska respektive ett vattenbaseratlösningsmedelssystem använts. Att samprocessa cellulosa och lignin var fördelaktigt eftersom denförstnämnda gjorde startfibrerna starka och lätthanterliga medan den sistnämnda ökadekonverteringsutbytet jämfört med cellulosabaserade startfibrer. Kolfibrer framställdes både satsvisoch kontinuerligt under industriellt relevanta tider (<2 timmar), med ett konverteringsutbyte upptill 45% efter tillsats av ett flamskyddsmedel.Dessa kolfibrer har en relativt låg elasticitetsmodul om 75–77 GPa och dragstyrka om 1.2 GPa,vilket är i paritet med kolfibrer från fossilbaserad isotrop stenkolstjära, vilket gör att de kanklassificeras som kolfibrer av intermediär kvalitet. Kolfibrerna har en oordnad turbostratiskgrafitstruktur, och de mekaniska egenskaperna påverkas av konverteringsbetingelserna,startfiberns struktur samt slutdiametern. Dessa kolfibrer kan potentiellt användas som en hållbarkomponent i icke- samt partiellt-styrkebärande applikationer.