碳纤维前驱体

碳纤维具有优异的纤维性能,因此对其需求持续增加。目前,碳纤维大部分由聚丙烯腈制备获得,小部分则通过沥青制得。但这些原材料也带来了一些问题,因此全世界范围内仍在继续寻找可供选择的材料。本文列举了当前原材料的优缺点,以及如木质素、纤维素、聚乙烯等其他潜在的原材料,并介绍了德国邓肯道夫纺织化学与化学纤维研究所(ITCF)在该研究领域的研发潜力。

碳纤维市场前景

碳纤维在工业应用中取得很大的进展。因碳纤维在轻量构造方面的卓越性能,尽管其价格较高,但产量仍持续稳定增长。这种增长同时也受再生能源、航空及其他工业尤其是汽车工业发展的驱动。全球风电产业正迅猛发展。对于转子直径高达180m,在8MW功率下工作的风力叶片而言,若要减小其质量并提高叶片强度,使用碳纤维必不可缺。

在减压和特定气氛中稳定碳纤维前驱体的新概念

目前,轻量化应用使得对碳纤维的需求稳步增长,尤其是汽车行业的大众化市场发展,预计将推动碳纤维需求的强劲增长。然而,由于目前碳纤维的生产成本过高,其实际应用领域受到了较大限制,降低成本至关重要。因此,有必要优化碳纤维的生产工艺,开发新的合成方法并考虑使用替代材料。用于生产碳纤维的主要原料(前驱体)是一种石油基聚合物——聚丙烯腈(PAN)。湿法纺丝所得前驱体纤维在约 300 ℃ 下转化为氧化热稳定状态,随后在惰性气体环境中于约1 400 ℃下碳化。碳纤维生产的关键在于优化其局部制备工艺,尤其是纤维的热稳定化/预氧化工艺,这一工艺步骤非常耗时和耗能,且停留时间大于1 h。典型的氧化炉是由数个加热室组成的大容量热风炉。前驱体纤维在常压下进行热稳定化处理,因此热空气既要确保纤维能发生热稳定化/预氧化等化学反应,同时又能带走相当高的反应热。以PAN为例,前驱体纤维的颜色由无色变为淡黄色,再经橙色、棕色等多种颜色梯度后,最终变成黑色。尽管可以在15 min内转换纤维,但纤维和处理气体之间的温差低,导致难以实现更高的纤维吞吐量。处理气体进入纤维的扩散过程及纤维排出废气的过程过于缓慢,是限制整个反应速度的瓶颈。此外,在常压下加热处理气体需要非常高的能量输入。由此产生的废气(氮氧化物、氨气、氰化氢等)也必须经复杂的排气净化系统净化,这将导致由于高气体流量而产生更高的生产成本。德国centrotherm国际公司与德国纺织纤维研究所(DITF)合作,开发出一种前驱体纤维热稳定化新技术,该项目由德国巴登符腾堡州经济、劳工和社会保障部提供支持。这项新技术可以在纤维热稳定化过程中精确调控大气和氧气的质量分数。低压是控制氧气含量最有效和有利的方法。由于处理气体的用量减少,新技术可使处理时间减少30%,能源成本降低50%。新技术采用的 c. Lab Carbon低压稳定炉如图1所示。