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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(kāi)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(guò)共同研究，開(kāi)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(diǎn)是將以往需要30～60分鐘的燒結(jié)時(shí)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(shù)脂基復(fù)合材料）的情況越來(lái)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(wàn)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(yáng)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(shí)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(shí)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(lái)。接下來(lái)要進(jìn)行“耐火處理”，就是將卷起來(lái)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(shí)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(shí)間只需數(shù)分鐘。
雖然全球碳纖維廠商長(zhǎng)期使用進(jìn)藤方式，但這種方式的耐火處理耗時(shí)較多，就“小絲束”（由1.2萬(wàn)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(lái)看，每條生產(chǎn)線需要100億～200億日元之多。這是碳纖維價(jià)格昂貴的較大原因。目前的碳纖維每公斤的價(jià)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(jià)格降至1000日元以下。
省去耐火處理
為此，NEDO于2011年度啟動(dòng)了“革新性新構(gòu)造材料等研究開(kāi)發(fā)”地區(qū)項(xiàng)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(yáng)參加了該項(xiàng)目，在截至2015年度的5年計(jì)劃下致力于新制造方法的開(kāi)發(fā)（圖2）。
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圖2：東京大學(xué)開(kāi)發(fā)的制造工藝
通過(guò)在液體中做氧化處理而不是實(shí)施原來(lái)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(kāi)發(fā)的制造方法中，為了去掉耐火處理，開(kāi)發(fā)出了新型聚合物（前驅(qū)體聚合物）。其要點(diǎn)是，將該聚合物紡成絲后，不進(jìn)行原來(lái)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(shí)間只需2～3分鐘。碳化處理后還要使用等離子體實(shí)施表面處理，從而制成碳纖維。等離子體處理的時(shí)間不到2分鐘。這樣，原來(lái)需要30～60分鐘的燒結(jié)時(shí)間便可縮短至5分鐘左右。在新制造方法中，實(shí)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(shù)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(jià)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(shí)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(jià)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(shí)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(gè)制造工序的時(shí)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(shí)（提高“纖度”），氧化反應(yīng)的控制難度就會(huì)加大，無(wú)法提高燒結(jié)速度。纖度指絲線的粗細(xì)，以每米纖維長(zhǎng)度的重量來(lái)表示。
而新制造方法在液體中實(shí)施氧化處理，而不是實(shí)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(shí)施碳化處理，因此燒結(jié)時(shí)間也大幅縮短。
主導(dǎo)開(kāi)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(shí)間的縮短，即使以量產(chǎn)水平來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)效率也可提高至目前的10倍”。