Investigation of the stabilization process for cellulose-based carbon fibers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-08-29
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Biological and Chemical Engineering for a Sustainable Bioeconomy
Language
en
Pages
58+8
Series
Abstract
With the global demand to reduce fossil-based materials, there is significant focus on investigating cellulose as a possible precursor for carbon fiber production. However, while cellulose and cellulosic fibers show promise for production of cost-efficient and more environmentally friendly carbon fibers, challenges remain with the low carbonization yield and lack of studies on the mechanical properties during thermal processing. This thesis aims to investigate the low-temperature stabilization treatments and varying tensions effect and role within the resulting fiber morphologies and mechanical properties. The stabilization temperature varied between 150 –275 °C for both cellulose and viscose samples. Furthermore, this work studied the progression of the pyrolysis process, trying to identify the transformations and their effects on the fibers. The results illustrated that the low-temperature stabilization has a profound effect on the mechanical properties of the fibers. Additionally, the pyrolysis pathway seems to proceed with depolymerization reactions and dehydration, which predominantly produce levoglucosan and tar, together with a minor fraction of a cross-linked intermediate molecule. In addition to this, the fibers treated at 215°C showed interesting behavior which deviated from the other results. All in all, the cellulose fibers showed clear changes in physical and mechanical properties, which this thesis reports.Fossiilisten materiaalien vähentämisen ja korvaamisen kysyntä globaalisti on kasvanut, minkä takia tutkimus selluloosan ja sen soveltamista hiilikuitujen valmistukseen on merkittävästä lisääntynyt. Vaikka selluloosa ja selluloosapohjaiset kuidut ovat osoittaneet etuja ja lupauksia kustannustehokkaiden ja ympäristöystävällisten hiilikuitujen valmistuksen osalta, niillä on omat haasteensa, kuten matala tuotto hiiltymisprosessin aikana ja tutkimuksen puute stabilisaatioprosessin vaikutuksesta mekaanisiin ominaisuuksiin. Tämä diplomityö tutkii matalalämpötilan stabilisaatioprosessin ja eri kireyksien vaikutusta kuitujen morfologioihin ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Stabilisaatioprosessin lämpötilat vaihtelivat 150-275 C välillä molempien selluloosa- ja viskoosikuiteujen osalta. Lisäksi tämä diplomityö tutki pyrolyysin etenemistä, yrittäen havainnoida muutoksia ja niiden vaikutuksia kuituihin. Tulokset osoittivat, että stabiloinnilla matalassa lämpötilassa on merkittävä vaikutus kuitujen mekaanisten ominaisuuksien muuttumiseen. Pyrolyysipolku näytti etenevän depolymerisaatioreaktioiden ja dehydraation kautta, mikä tuottaa pääasiassa levoglukosaania, tervaa ja pieniä määriä silloittuneita välituotemolekylejä. Lisäksi 215 C käsitellyt kuidut osoittivat mielenkiintoista käyttäytymistä, joka poikkesi muista näytteistä. Kaiken kaikkiaan, selluloosakuidut osoittivat selkeitä muutoksia fyysisissä ja mekaanisissa ominaisuuksissa, mitä tämä diplomityö raportoi.Description
Supervisor
Hummel, MichaelThesis advisor
Cho, MiJungKeywords
stabilization, carbon fibre, Ioncell, cellulose, mechanical properties