碳纤维制造新方法:生产效率提10倍,烧结工序缩至5分钟

2016-08-240阅读0

  日本新能源及产业技术综合开发机构(NEDO)与东京大学、日本产业技术综合研究所、东丽等通过共同研究,开发出了生产效率提高至现行生产工艺10倍的碳纤维(CF)制造方法。特点是将以往需要30~60分钟的烧结时间缩短到了约5分钟。

  为了符合全球日益严格的燃效规定,以高档车为中心,汽车车身等采用CFRP(碳纤维增强树脂基复合材料)的情况越来越多。但是,这种材料使用的PAN(聚丙烯腈)类碳纤维的全球供给量在2014年仅为5万吨左右。今后要想在量产车上使用CFRP,就必须增加PAN类碳纤维的产量,降低制造成本。

  目前,全球的PAN类碳纤维厂商使用的是名为“进藤方式”的制造方法。这是1959年发明的技术,东丽、帝人、三菱丽阳等日本厂商也在使用基于该技术的方法制造碳纤维(图1)。

  

图1:现行的PAN类碳纤维制造方法

  将PAN纺成丝后实施耐火处理,即空气中加热至200~300℃使之氧化,赋予其耐热性。该工序耗时30~60分钟。

  进藤方式的制造方法首先是在PAN共聚物中混合溶剂和催化剂,然后纺成丝并卷起来。接下来要进行“耐火处理”,就是将卷起来的PAN纤维丝放入加热炉内使之氧化,赋予其耐热性。加热温度为200~300℃,加热时间需要30~60分钟。耐火处理之后,还要将PAN纤维放入另外的加热炉内加热至1000~2000℃使之碳化,制成碳纤维。碳化处理的时间只需数分钟。

  虽然全球碳纤维厂商长期使用进藤方式,但这种方式的耐火处理耗时较多,就“小丝束”(由1.2万根纤维捻合的碳纤维)而言,每条产生线的年产量极限是2000吨左右。而且从设备成本来看,每条生产线需要100亿~200亿日元之多。这是碳纤维价格昂贵的最大原因。目前的碳纤维每公斤的价格在3000日元左右。要想在量产车上使用CFRP,就必须提高碳纤维的生产效率,降低制造成本,使价格降至1000日元以下。

  省去耐火处理

  为此,NEDO于2011年度启动了“革新性新构造材料等研究开发”国家项目,目标是省去阻碍生产效率提高的耐火处理。东京大学、产综研、东丽、帝人、东邦特耐克丝、三菱丽阳参加了该项目,在截至2015年度的5年计划下致力于新制造方法的开发(图2)。

  

图2:东京大学开发的制造工艺

  通过在液体中做氧化处理而不是实施原来的耐火处理,可将纺丝后的制造工序缩短至5分钟左右。

  由东京大学主导开发的制造方法中,为了去掉耐火处理,开发出了新型聚合物(前驱体聚合物)。其要点是,将该聚合物纺成丝后,不进行原来的耐火处理,而是使之在溶剂中氧化。

  然后用微波加热装置加热至1000℃以上进行碳化。加热时间只需2~3分钟。碳化处理后还要使用等离子体实施表面处理,从而制成碳纤维。等离子体处理的时间不到2分钟。这样,原来需要30~60分钟的烧结时间便可缩短至5分钟左右。在新制造方法中,实施等离子体处理是为了提高碳纤维与作为CFRP母材的热可塑性树脂等之间的接合性。

  使用低成本的服装用PAN

  作为原料的聚合物并不是目前的碳纤维使用的PAN共聚物,而是用于服装的低价格PAN材料。在服装用PAN中添加氧化剂并溶于溶剂,使之在短时间内氧化。由于是在液体中氧化,因此还要添加溶解促进剂。到使用微波进行碳化处理这一步的前工序与通常的丙烯纤维制造工序相同(图3)。

  

图3:用新工艺制造碳纤维

  (a)利用用于服装的低价格PAN制造的前驱体聚合物。(b)在纺成丝的PAN中添加溶解促进剂和氧化剂,在液体中实施氧化处理。(c)用新工艺制造的碳纤维。

  用新制造方法制造的碳纤维的拉伸弹性模量为240GPa,拉伸强度为3.5GPa,延伸率达到1.5%。这些数值均与体育用品等使用的东丽通用级碳纤维“T-300”为相同水平。

  今后的课题是,包括前工序在内,缩短量产水平的整个制造工序的时间。现行制造方法的耐火处理中,为了提高生产效率而增加PAN纤维量时(提高“纤度”),氧化反应的控制难度就会加大,无法提高烧结速度。纤度指丝线的粗细,以每米纤维长度的重量来表示。

  而新制造方法在液体中实施氧化处理,而不是实施耐火处理,因此可轻松提高PAN纤维的纤度,能够大量处理。并且,新方法是使用微波加热装置实施碳化处理,因此烧结时间也大幅缩短。

  主导开发的东京大学教授影山和郎强调,“随着纤度的提高和烧结时间的缩短,即使以量产水平来说,生产效率也可提高至目前的10倍”。

  他还表示,相关纤维厂商计划在数年内建成年产数吨规模的实证工厂,向汽车厂商等供应样品。另外,还计划在10年内实现年产2万吨以上的量产。量产时的价格目标是“目前的一半以下”。 (记者:高田 隆)

  (全文完)