德國Fraunhofer應(yīng)用聚合物研究所(IAP)的ComCarbon技術(shù)，使碳纖維的低成本生產(chǎn)成為可能。該研究所于2018年4月25—29日在德國柏林舉辦的航空航天貿(mào)易博覽會(huì)(ILA Berlin2018)上展示了這項(xiàng)新技術(shù)。他們還介紹了聚合物基輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能集成塑料的應(yīng)用實(shí)例。

無論是飛機(jī)、賽車、高性能游艇還是自行車，碳纖維都是用于制造輕質(zhì)復(fù)合材料的先進(jìn)的增強(qiáng)纖維。然而，碳纖維進(jìn)入汽車、建筑及其他一些目前使用玻璃纖維或天然纖維作為增強(qiáng)材料的行業(yè)仍困難重重，主要原因之一是目前碳纖維的生產(chǎn)成本較高。大幅降低碳纖維價(jià)格將大大增加這些行業(yè)對碳纖維的使用。

1 一種可熔的前驅(qū)體

傳統(tǒng)碳纖維生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)成本約有一半是在生產(chǎn)前驅(qū)體聚丙烯腈(PAN)纖維的過程中產(chǎn)生的。這種前驅(qū)體纖維不能熔融，因此，只能使用成本高的溶液紡絲工藝生產(chǎn)。

目前，F(xiàn)raunhofer IAP已經(jīng)開發(fā)出一種基于PAN前驅(qū)體的替代制備技術(shù)如圖1所示，可將PAN纖維的生產(chǎn)成本降低約60%。該技術(shù)主要是制備了一種特殊的、可熔融的PAN共聚物，從而使得采用低成本的熔融紡絲工藝制備纖維成為可能。一旦PAN共聚物轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇蹜B(tài)，這些低成本的前驅(qū)體纖維就可以采用與傳統(tǒng)前驅(qū)體纖維相同的方式，利用現(xiàn)有生產(chǎn)工藝加工成碳纖維。

圖1 PAN纖維是生產(chǎn)碳纖維的理想 前驅(qū)體材料(? Fraunhofer IAP)

2 采用熔融紡絲工藝節(jié)約成本

熔融紡絲相比溶液紡絲具有較大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢。熔融紡絲不使用任何對環(huán)境有害的溶劑，且這些溶劑必須以很高的成本進(jìn)行回收。另外，不使用溶劑意味著熔融的材料全部可用作紡絲，大大提高紡絲速度。

3 碳纖維的制備

在生產(chǎn)碳纖維時(shí)，前驅(qū)體纖維必須進(jìn)行穩(wěn)定化和碳化處理。為此，熔融紡絲的前驅(qū)體纖維轉(zhuǎn)化為不可熔融狀態(tài)。完成預(yù)穩(wěn)定化工序后，纖維復(fù)絲隨即被連續(xù)送入傳統(tǒng)碳化爐中，并在1 600 ℃溫度下進(jìn)行碳化。

張興珂 譯 于俊榮 校