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科技前沿

日本开发生产效率升至10倍的碳纤维制造
来源:日经BP社  2016-01-21 11:25:00
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2586

  日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO),2016年1月14日开发出了新工艺,使聚丙烯腈(PAN)类碳纤维的生产效率比旧工艺提高了10倍。而且还能减少生产所需能量及CO2排放量(图1)。

  碳纤维主要用作碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的强化剂,其代表用途为飞机。而最近,以高价位车型为中心,汽车车身等的采用也在推进。CFRP价格昂贵,因此以汽车业界等为中心降低价格的要求十分强烈。妨碍CFRP降低价格的问题之一,是碳纤维原材料昂贵及生产效率较低。

  原来的PAN类碳纤维制造工艺大致由4道工序组成:(1)将融解于溶剂中的PAN制成丝状PAN纤维的“制丝”;(2)在将PAN纤维碳化前,预先要实施热处理使之氧化,以提高耐热性的“耐火化”;(3)高温加热、碳化耐火化后的PAN纤维的“碳化”;(4)“表面处理”。这一制造工艺的瓶颈是(2)耐火化工序。该工序很难管理,一次性处理大量的PAN纤维很难。

  以往制造工艺是将制丝后的PAN纤维,在空气中以200~300℃加热30~60分钟来做耐火化处理的。之后再将处理后的PAN纤维以1000~2000℃加热使之碳化,最后再实施表面处理,制成碳纤维。
 

  提高了生产效率的新型制造工艺,利用新开发的“溶剂可溶性耐火聚合物”去掉了耐火化工序。溶剂可溶性耐火聚合物容易纺成丝,具备耐火性。由于在制丝阶段就已具有了耐火性,因此无需再在制丝后作耐火化处理。溶剂可溶性耐火聚合物能以服装用低价位PAN作原料,添加溶解促进剂和氧化剂来制造。
 

  在省去耐火化处理的同时,碳化方法上还开发了可使用微波直接加热的新技术。这样就无需再使碳化炉保持高温。而且还可缩短碳化所需要的时间。
 

  在表面处理上,也开发了利用等离子体的新技术。可简化表面处理的工艺,与以往方法相比,可将表面处理工序所需要的能源减少约50%。
 

  此次的制造工艺,是在NEDO以汽车重量减半为目标的材料及接合及技术综合开发项目“革新性新构造材料等研究开发”中,以东京大学为中心,与日本产业技术综合研究所、东丽、帝人、东邦特耐克丝(帝人集团)、三菱丽阳共同开发的。上述4公司2014年在PAN类碳纤维领域握有全球65%的份额。

  今后将要实现该制造工艺的工业化,现正在工厂作实证实验。还将开发可使碳纤维实现高强度及粗径化的技术。

  此次发表的技术将在2016年1月27~29日于东京有明国际会展上心举行的“nano tech 2016 第15届国际纳米技术综合展暨技术会议”上展出。

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2586