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國外碳纖維生產(chǎn)的創(chuàng )新進(jìn)展

2024-06-28 01:38:45

碳纖維具有輕質(zhì)、高強、高模量、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn),在航空航天、新能源、軌道交通等領(lǐng)域應用廣泛。碳纖維按照原絲類(lèi)型可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基、粘膠基等。其中PAN基碳纖維因生產(chǎn)工藝、原料、結構功能等方面的優(yōu)勢占據主導。在低成本碳纖維的高效、節能和環(huán)保生產(chǎn)工藝和新型原絲研發(fā)方面,歐、美、日一直保持領(lǐng)先地位。下文主要介紹國外相關(guān)創(chuàng )新案例。


微波加熱在碳纖維制造中的潛力并不新鮮。2014年,《復合材料世界》(Composites World)報道了我國臺灣鐘離(UHT Unitech)的微波技術(shù),與傳統工藝相比,生產(chǎn)T800或T1000級纖維的能量需求減少了30%,工藝時(shí)間減少了50%,成本降低了15%~30%。


日本三井化學(xué)株式會(huì )社和微波化學(xué)株式會(huì )社建立了創(chuàng )新的環(huán)保碳纖維制造基礎技術(shù)——微波加熱技術(shù)Carbon MX TM。將微波加熱纖維應用于氧化過(guò)程(碳纖維生產(chǎn)中最耗能的部分)及碳化過(guò)程中。除了生產(chǎn)線(xiàn)更緊湊外,與傳統方法相比,新技術(shù)可將能耗降低約50%,并大幅縮短處理時(shí)間。據透露,這條微波化學(xué)法試驗線(xiàn)預計耗資1400萬(wàn)歐元,預計年產(chǎn)能為30t PAN前驅體和12.5t碳纖維,每年運營(yíng)250天。

等離子體化學(xué)是碳纖維制造的另一種節能替代品,美國4M碳纖維公司與橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室共同開(kāi)發(fā)了4X技術(shù)(舊名RMX技術(shù)),比預氧化速度快3倍,單位能量消耗降低75%且碳纖維質(zhì)量較高。德國AG公司和德國紡織與纖維研究所聯(lián)合提出在降低壓力和特定氣氛下進(jìn)行碳纖維原絲預氧化的新理念和新技術(shù)。該技術(shù)可精確調節預氧化過(guò)程的氣氛和氧濃度,而低壓是最有效控制氧濃度的最佳方法,因此加工時(shí)間可降低30%,且由于過(guò)程所用氣體量少,故能耗成本下降50%。


澳大利亞迪肯大學(xué)的專(zhuān)利技術(shù)——由美國田納西州橡樹(shù)嶺授權,也可以實(shí)現快速氧化,但不能通過(guò)微波或等離子體加熱。它增加了1~2min的無(wú)氧前驅體預穩定階段,可以將隨后的氧化/穩定時(shí)間減少至15min,然后進(jìn)行3min的碳化。迪肯24K纖維試驗線(xiàn)的第三方審計證實(shí)其縮短了氧化時(shí)間,產(chǎn)品性能與東麗的T300纖維相當,但并未完全達到T700S標準模量12K纖維的性能,這是壓力容器和一些航空航天應用的基準。更準確地說(shuō),迪肯大學(xué)的纖維超過(guò)了T700S模量,但低于4.9GPa的拉伸強度和2.1%的失效應變。不過(guò),相關(guān)研究者表示,每千克纖維的成本減少了75%,能耗減少了70%。因此,對于更看重模量但對拉伸強度沒(méi)有苛刻要求的應用是值得關(guān)注的。

常見(jiàn)的PAN基碳纖維生產(chǎn)成本較高,材料成本高企,亟須開(kāi)發(fā)具有更高性?xún)r(jià)比的原材料和制造工藝,從而進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)復合材料應用的發(fā)展與增長(cháng)。德國亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)學(xué)院(ITA)畢業(yè)生Flávio André Marter Diniz 在其碩士論文《超細聚乙烯基碳纖維生產(chǎn)的穩定和碳化工藝研究》中開(kāi)發(fā)出了超細聚乙烯基(PE)碳纖維,并憑借此創(chuàng )新榮獲了漢斯·福伊特基金會(huì )獎(Hanns VoithFoundation Award)的“新材料”獎項。其創(chuàng )新成果包括纖維長(cháng)絲直徑小于3μm,比常規碳纖維細2~3倍;纖維表面質(zhì)量極佳,未檢測到結構缺陷;采用低成本PE基前驅體,未來(lái)有望使碳纖維生產(chǎn)成本降低50%;縮短了25%的磺化時(shí)間,可廣泛應用于風(fēng)力發(fā)電、航空航天和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機等關(guān)鍵行業(yè)中。

來(lái)源:紡織導報