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碳纖維具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、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(yīng)用廣泛。碳纖維按照原絲類型可分為聚丙烯腈（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(jié)構(gòu)功能等方面的優(yōu)勢占據(jù)主導(dǎo)。在低成本碳纖維的高效、節(jié)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(fù)合材料世界》（Composites World）報(bào)道了我國臺(tái)灣鐘離（UHT Unitech）的微波技術(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比，生產(chǎn)T800或T1000級(jí)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(chǔ)技術(shù)——微波加熱技術(shù)Carbon MX TM。將微波加熱纖維應(yīng)用于氧化過程（碳纖維生產(chǎn)中最耗能的部分）及碳化過程中。除了生產(chǎn)線更緊湊外，與傳統(tǒng)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(jù)透露，這條微波化學(xué)法試驗(yàn)線預(yù)計(jì)耗資1400萬歐元，預(yù)計(jì)年產(chǎn)能為30t PAN前驅(qū)體和12.5t碳纖維，每年運(yùn)營250天。

等離子體化學(xué)是碳纖維制造的另一種節(jié)能替代品，美國4M碳纖維公司與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)了4X技術(shù)（舊名RMX技術(shù)），比預(yù)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(yù)氧化的新理念和新技術(shù)。該技術(shù)可精確調(diào)節(jié)預(yù)氧化過程的氣氛和氧濃度，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)的專利技術(shù)——由美國田納西州橡樹嶺授權(quán)，也可以實(shí)現(xiàn)快速氧化，但不能通過微波或等離子體加熱。它增加了1~2min的無氧前驅(qū)體預(yù)穩(wěn)定階段，可以將隨后的氧化/穩(wěn)定時(shí)間減少至15min，然后進(jìn)行3min的碳化。迪肯24K纖維試驗(yàn)線的第三方審計(jì)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(dāng)，但并未完全達(dá)到T700S標(biāo)準(zhǔn)模量12K纖維的性能，這是壓力容器和一些航空航天應(yīng)用的基準(zhǔn)。更準(zhǔn)確地說，迪肯大學(xué)的纖維超過了T700S模量，但低于4.9GPa的拉伸強(qiáng)度和2.1%的失效應(yīng)變。不過，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(duì)于更看重模量但對(duì)拉伸強(qiáng)度沒有苛刻要求的應(yīng)用是值得關(guān)注的。

常見的PAN基碳纖維生產(chǎn)成本較高，材料成本高企，亟須開發(fā)具有更高性價(jià)比的原材料和制造工藝，從而進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展與增長。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(xì)聚乙烯基碳纖維生產(chǎn)的穩(wěn)定和碳化工藝研究》中開發(fā)出了超細(xì)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(jiǎng)（Hanns VoithFoundation Award）的“新材料”獎(jiǎng)項(xiàng)。其創(chuàng)新成果包括纖維長絲直徑小于3μm，比常規(guī)碳纖維細(xì)2~3倍；纖維表面質(zhì)量極佳，未檢測到結(jié)構(gòu)缺陷；采用低成本PE基前驅(qū)體，未來有望使碳纖維生產(chǎn)成本降低50%；縮短了25%的磺化時(shí)間，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、航空航天和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵行業(yè)中。

來源：紡織導(dǎo)報(bào)