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碳纖維制造新方法:生產(chǎn)效率提10倍 燒結(jié)工序縮至5分鐘
發(fā)布日期: [2017/2/23]
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日本新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)與東京大學(xué)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、東麗等通過共同研究,開發(fā)出了生產(chǎn)效率提高至現(xiàn)行生產(chǎn)工藝10倍的碳纖維(CF)制造方法。特點是將以往需要30~60分鐘的燒結(jié)時間縮短到了約5分鐘。
為了符合全球日益嚴(yán)格的燃效規(guī)定,以高品質(zhì)車為中心,汽車車身等采用CFRP(碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料)的情況越來越多。但是,這種材料使用的PAN(聚丙烯腈)類碳纖維的全球供給量在2014年僅為5萬噸左右。今后要想在量產(chǎn)車上使用CFRP,就必須增加PAN類碳纖維的產(chǎn)量,降低制造成本。
目前,全球的PAN類碳纖維廠商使用的是名為“進(jìn)藤方式”的制造方法。這是1959年發(fā)明的技術(shù),東麗、帝人、三菱麗陽等日本廠商也在使用基于該技術(shù)的方法制造碳纖維(圖1)。
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圖1:現(xiàn)行的PAN類碳纖維制造方法
將PAN紡成絲后實施耐火處理,即空氣中加熱至200~300℃使之氧化,賦予其耐熱性。該工序耗時30~60分鐘。
進(jìn)藤方式的制造方法單先是在PAN共聚物中混合溶劑和催化劑,然后紡成絲并卷起來。接下來要進(jìn)行“耐火處理”,就是將卷起來的PAN纖維絲放入加熱爐內(nèi)使之氧化,賦予其耐熱性。加熱溫度為200~300℃,加熱時間需要30~60分鐘。耐火處理之后,還要將PAN纖維放入另外的加熱爐內(nèi)加熱至1000~2000℃使之碳化,制成碳纖維。碳化處理的時間只需數(shù)分鐘。
雖然全球碳纖維廠商長期使用進(jìn)藤方式,但這種方式的耐火處理耗時較多,就“小絲束”(由1.2萬根纖維捻合的碳纖維)而言,每條產(chǎn)生線的年產(chǎn)量好限是2000噸左右。而且從設(shè)備成本來看,每條生產(chǎn)線需要100億~200億日元之多。這是碳纖維價格昂貴的較大原因。目前的碳纖維每公斤的價格在3000日元左右。要想在量產(chǎn)車上使用CFRP,就必須提高碳纖維的生產(chǎn)效率,降低制造成本,使價格降至1000日元以下。
省去耐火處理
為此,NEDO于2011年度啟動了“革新性新構(gòu)造材料等研究開發(fā)”地區(qū)項目,目標(biāo)是省去阻礙生產(chǎn)效率提高的耐火處理。東京大學(xué)、產(chǎn)綜研、東麗、帝人、東邦特耐克絲、三菱麗陽參加了該項目,在截至2015年度的5年計劃下致力于新制造方法的開發(fā)(圖2)。
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圖2:東京大學(xué)開發(fā)的制造工藝
通過在液體中做氧化處理而不是實施原來的耐火處理,可將紡絲后的制造工序縮短至5分鐘左右。
由東京大學(xué)主導(dǎo)開發(fā)的制造方法中,為了去掉耐火處理,開發(fā)出了新型聚合物(前驅(qū)體聚合物)。其要點是,將該聚合物紡成絲后,不進(jìn)行原來的耐火處理,而是使之在溶劑中氧化。
然后用微波加熱裝置加熱至1000℃以上進(jìn)行碳化。加熱時間只需2~3分鐘。碳化處理后還要使用等離子體實施表面處理,從而制成碳纖維。等離子體處理的時間不到2分鐘。這樣,原來需要30~60分鐘的燒結(jié)時間便可縮短至5分鐘左右。在新制造方法中,實施等離子體處理是為了提高碳纖維與作為CFRP母材的熱可塑性樹脂等之間的接合性。
使用低成本的服裝用PAN
作為原料的聚合物并不是目前的碳纖維使用的PAN共聚物,而是用于服裝的低價格PAN材料。在服裝用PAN中添加氧化劑并溶于溶劑,使之在短時間內(nèi)氧化。由于是在液體中氧化,因此還要添加溶解促進(jìn)劑。到使用微波進(jìn)行碳化處理這—步的前工序與通常的丙烯纖維制造工序相同(圖3)。
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圖3:用新工藝制造碳纖維
(a)利用用于服裝的低價格PAN制造的前驅(qū)體聚合物。(b)在紡成絲的PAN中添加溶解促進(jìn)劑和氧化劑,在液體中實施氧化處理。(c)用新工藝制造的碳纖維。
用新制造方法制造的碳纖維的拉伸彈性模量為240GPa,拉伸強(qiáng)度為3.5GPa,延伸率達(dá)到1.5%。這些數(shù)值均與體育用品等使用的東麗通用高等碳纖維“T-300”為相同水平。
今后的課題是,包括前工序在內(nèi),縮短量產(chǎn)水平的整個制造工序的時間?,F(xiàn)行制造方法的耐火處理中,為了提高生產(chǎn)效率而增加PAN纖維量時(提高“纖度”),氧化反應(yīng)的控制難度就會加大,無法提高燒結(jié)速度。纖度指絲線的粗細(xì),以每米纖維長度的重量來表示。
而新制造方法在液體中實施氧化處理,而不是實施耐火處理,因此可輕松提高PAN纖維的纖度,能夠大量處理。并且,新方法是使用微波加熱裝置實施碳化處理,因此燒結(jié)時間也大幅縮短。
主導(dǎo)開發(fā)的東京大學(xué)教授影山和郎強(qiáng)調(diào),“隨著纖度的提高和燒結(jié)時間的縮短,即使以量產(chǎn)水平來說,生產(chǎn)效率也可提高至目前的10倍”。