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国外碳纤维生产的创新进展

6月27日

碳纤维具有轻质、高强、高模量、耐化学腐蚀等特点,在航空航天、新能源、轨道交通等领域应用广泛。碳纤维按照原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基、粘胶基等。其中PAN基碳纤维因生产工艺、原料、结构功能等方面的优势占据主导。在低成本碳纤维的高效、节能和环保生产工艺和新型原丝研发方面,欧、美、日一直保持领先地位。下文主要介绍国外相关创新案例。


微波加热在碳纤维制造中的潜力并不新鲜。2014年,《复合材料世界》(Composites World)报道了我国台湾钟离(UHT Unitech)的微波技术,与传统工艺相比,生产T800或T1000级纤维的能量需求减少了30%,工艺时间减少了50%,成本降低了15%~30%。


日本三井化学株式会社和微波化学株式会社建立了创新的环保碳纤维制造基础技术——微波加热技术Carbon MX TM。将微波加热纤维应用于氧化过程(碳纤维生产中最耗能的部分)及碳化过程中。除了生产线更紧凑外,与传统方法相比,新技术可将能耗降低约50%,并大幅缩短处理时间。据透露,这条微波化学法试验线预计耗资1400万欧元,预计年产能为30t PAN前驱体和12.5t碳纤维,每年运营250天。

等离子体化学是碳纤维制造的另一种节能替代品,美国4M碳纤维公司与橡树岭国家实验室共同开发了4X技术(旧名RMX技术),比预氧化速度快3倍,单位能量消耗降低75%且碳纤维质量较高。德国AG公司和德国纺织与纤维研究所联合提出在降低压力和特定气氛下进行碳纤维原丝预氧化的新理念和新技术。该技术可精确调节预氧化过程的气氛和氧浓度,而低压是最有效控制氧浓度的最佳方法,因此加工时间可降低30%,且由于过程所用气体量少,故能耗成本下降50%。


澳大利亚迪肯大学的专利技术——由美国田纳西州橡树岭授权,也可以实现快速氧化,但不能通过微波或等离子体加热。它增加了1~2min的无氧前驱体预稳定阶段,可以将随后的氧化/稳定时间减少至15min,然后进行3min的碳化。迪肯24K纤维试验线的第三方审计证实其缩短了氧化时间,产品性能与东丽的T300纤维相当,但并未完全达到T700S标准模量12K纤维的性能,这是压力容器和一些航空航天应用的基准。更准确地说,迪肯大学的纤维超过了T700S模量,但低于4.9GPa的拉伸强度和2.1%的失效应变。不过,相关研究者表示,每千克纤维的成本减少了75%,能耗减少了70%。因此,对于更看重模量但对拉伸强度没有苛刻要求的应用是值得关注的。

常见的PAN基碳纤维生产成本较高,材料成本高企,亟须开发具有更高性价比的原材料和制造工艺,从而进一步推动工业复合材料应用的发展与增长。德国亚琛工业大学纺织技术学院(ITA)毕业生Flávio André Marter Diniz 在其硕士论文《超细聚乙烯基碳纤维生产的稳定和碳化工艺研究》中开发出了超细聚乙烯基(PE)碳纤维,并凭借此创新荣获了汉斯·福伊特基金会奖(Hanns VoithFoundation Award)的“新材料”奖项。其创新成果包括纤维长丝直径小于3μm,比常规碳纤维细2~3倍;纤维表面质量极佳,未检测到结构缺陷;采用低成本PE基前驱体,未来有望使碳纤维生产成本降低50%;缩短了25%的磺化时间,可广泛应用于风力发电、航空航天和汽车发动机等关键行业中。


(来源:纺织导报)

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