日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO),2016年1月14日開發(fā)出了新工藝,使聚丙烯腈(PAN)類碳纖維的生產(chǎn)效率比舊工藝提高了10倍。而且還能減少生產(chǎn)所需能量及CO2排放量。
碳纖維主要用作碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)的強(qiáng)化劑,其代表用途為飛機(jī)。而最近,以高價(jià)位車型為中心,汽車車身等的采用也在推進(jìn)。CFRP價(jià)格昂貴,因此以汽車業(yè)界等為中心降低價(jià)格的要求十分強(qiáng)烈。妨礙CFRP降低價(jià)格的問題之一,是碳纖維原材料昂貴及生產(chǎn)效率較低。
原來的PAN類碳纖維制造工藝大致由4道工序組成:(1)將融解于溶劑中的PAN制成絲狀PAN纖維的“制絲”;(2)在將PAN纖維碳化前,預(yù)先要實(shí)施熱處理使之氧化,以提高耐熱性的“耐火化”;(3)高溫加熱、碳化耐火化后的PAN纖維的“碳化”;(4)“表面處理”。這一制造工藝的瓶頸是(2)耐火化工序。該工序很難管理,一次性處理大量的PAN纖維很難。
以往制造工藝是將制絲后的PAN纖維,在空氣中以200~300℃加熱30~60分鐘來做耐火化處理的。之后再將處理后的PAN纖維以1000~2000℃加熱使之碳化,最后再實(shí)施表面處理,制成碳纖維。
提高了生產(chǎn)效率的新型制造工藝,利用新開發(fā)的“溶劑可溶性耐火聚合物”去掉了耐火化工序。溶劑可溶性耐火聚合物容易紡成絲,具備耐火性。由于在制絲階段就已具有了耐火性,因此無需再在制絲后作耐火化處理。溶劑可溶性耐火聚合物能以服裝用低價(jià)位PAN作原料,添加溶解促進(jìn)劑和氧化劑來制造。
在省去耐火化處理的同時(shí),碳化方法上還開發(fā)了可使用微波直接加熱的新技術(shù)。這樣就無需再使碳化爐保持高溫。而且還可縮短碳化所需要的時(shí)間。
在表面處理上,也開發(fā)了利用等離子體的新技術(shù)??珊喕砻嫣幚淼墓に?,與以往方法相比,可將表面處理工序所需要的能源減少約50%。
此次的制造工藝,是在NEDO以汽車重量減半為目標(biāo)的材料及接合及技術(shù)綜合開發(fā)項(xiàng)目“革新性新構(gòu)造材料等研究開發(fā)”中,以東京大學(xué)為中心,與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、東麗、帝人、東邦特耐克絲(帝人集團(tuán))、三菱麗陽共同開發(fā)的。上述4公司2014年在PAN類碳纖維領(lǐng)域握有全球65%的份額。
今后將要實(shí)現(xiàn)該制造工藝的工業(yè)化,現(xiàn)正在工廠作實(shí)證實(shí)驗(yàn)。還將開發(fā)可使碳纖維實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度及粗徑化的技術(shù)。
碳纖維主要用作碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)的強(qiáng)化劑,其代表用途為飛機(jī)。而最近,以高價(jià)位車型為中心,汽車車身等的采用也在推進(jìn)。CFRP價(jià)格昂貴,因此以汽車業(yè)界等為中心降低價(jià)格的要求十分強(qiáng)烈。妨礙CFRP降低價(jià)格的問題之一,是碳纖維原材料昂貴及生產(chǎn)效率較低。
原來的PAN類碳纖維制造工藝大致由4道工序組成:(1)將融解于溶劑中的PAN制成絲狀PAN纖維的“制絲”;(2)在將PAN纖維碳化前,預(yù)先要實(shí)施熱處理使之氧化,以提高耐熱性的“耐火化”;(3)高溫加熱、碳化耐火化后的PAN纖維的“碳化”;(4)“表面處理”。這一制造工藝的瓶頸是(2)耐火化工序。該工序很難管理,一次性處理大量的PAN纖維很難。
以往制造工藝是將制絲后的PAN纖維,在空氣中以200~300℃加熱30~60分鐘來做耐火化處理的。之后再將處理后的PAN纖維以1000~2000℃加熱使之碳化,最后再實(shí)施表面處理,制成碳纖維。
提高了生產(chǎn)效率的新型制造工藝,利用新開發(fā)的“溶劑可溶性耐火聚合物”去掉了耐火化工序。溶劑可溶性耐火聚合物容易紡成絲,具備耐火性。由于在制絲階段就已具有了耐火性,因此無需再在制絲后作耐火化處理。溶劑可溶性耐火聚合物能以服裝用低價(jià)位PAN作原料,添加溶解促進(jìn)劑和氧化劑來制造。
在省去耐火化處理的同時(shí),碳化方法上還開發(fā)了可使用微波直接加熱的新技術(shù)。這樣就無需再使碳化爐保持高溫。而且還可縮短碳化所需要的時(shí)間。
在表面處理上,也開發(fā)了利用等離子體的新技術(shù)??珊喕砻嫣幚淼墓に?,與以往方法相比,可將表面處理工序所需要的能源減少約50%。
此次的制造工藝,是在NEDO以汽車重量減半為目標(biāo)的材料及接合及技術(shù)綜合開發(fā)項(xiàng)目“革新性新構(gòu)造材料等研究開發(fā)”中,以東京大學(xué)為中心,與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、東麗、帝人、東邦特耐克絲(帝人集團(tuán))、三菱麗陽共同開發(fā)的。上述4公司2014年在PAN類碳纖維領(lǐng)域握有全球65%的份額。
今后將要實(shí)現(xiàn)該制造工藝的工業(yè)化,現(xiàn)正在工廠作實(shí)證實(shí)驗(yàn)。還將開發(fā)可使碳纖維實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度及粗徑化的技術(shù)。