低成本聚丙烯腈基碳纤维的创新发展
作者：罗益锋 罗晰旻
来源：《新材料产业》2017年第08期
近年来，为适应以汽车为首的轻量、节能-环保以及国防军工超高性能和低成本化的紧迫需求，丙烯腈基（PAN）系原丝和全套碳纤维工艺技术与设备的研发，均取得了重大进展。
这意味着碳纤维产业将在未来10年间出现爆发式增长，推动更多的传统产业不断更新换代，并使新一代武器系统和航空航天产业取得突破性进展。
一、小丝束PAN原丝和碳化工艺技术的重大创新
1.日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）
过去采用进藤昭男博士所发明的碳化线（图1），由于预氧化炉的放热反应，对24K以下的丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）单线产能，很难超过2 000t/a。
为了提高生产效率和降低成本，保持日本在PAN-CF领域的垄断地位，自2015年起由NEDO组织以东京大学影山和郎教授为首的研发团队、由NEDO的羽鸟浩章担任工程项目领导、3家日本碳纤维企业（东丽、东邦Tenax和三菱丽阳）分工参与的全日本开发体制。
研发初期集中在东京大学的低炭工学创新基地，所有研发成员都要与该企业集团签约，研究成果和知识产权由东京大学统一管理。研发的目的是砍掉预氧化工序，使预氧化过程在PAN原丝的生产线上完成，如图2和图3所示。
首先要研发如图4所示的可溶于溶剂中的带侧链梯形结构高分子。具体制法是采用衣料用的PAN，在溶剂中添加入溶解促进剂和氧化剂，使预氧化反应在液体中进行，就可制备有侧链的梯形高分子溶液。由于分子结构中含有碱性含氮官能团，因此可溶于溶剂中，用这种预氧化的黑色PAN原丝，碳化收率相当于以往法PAN-CF的1.5倍。
图5示出无需预氧化工序的黑色原丝的纺丝过程图。这种方法制得的单丝直径是原来的2倍以上，而模量与以往法PAN-CF相仿。碳化选用高效的微波加热法，由于微波可以直接加入物质，与以往法相比，碳化炉无需维持在高温，而碳化时间可以缩短，能耗少。
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/1d4689e4970590c69ec3d5bbfd0a79563c1ed495.html
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