Fraunhofer研究所:用于輕質建筑的低成本碳纖維

德國Fraunhofer應用聚合物研究所(IAP)的ComCarbon技術，使碳纖維的低成本生產成為可能。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易博覽會(ILA Berlin2018)上展示了這項新技術。他們還介紹了聚合物基輕質結構和功能集成塑料的應用實例。

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

1 一種可熔的前驅體

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

目前，Fraunhofer IAP已經開發出一種基于PAN前驅體的替代制備技術如圖1所示，可將PAN纖維的生產成本降低約60%。該技術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共聚物轉變為不可熔態，這些低成本的前驅體纖維就可以采用與傳統前驅體纖維相同的方式，利用現有生產工藝加工成碳纖維。

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

2 采用熔融紡絲工藝節約成本

熔融紡絲相比溶液紡絲具有較大的經濟和環境優勢。熔融紡絲不使用任何對環境有害的溶劑，且這些溶劑必須以很高的成本進行回收。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

在生產碳纖維時，前驅體纖維必須進行穩定化和碳化處理。為此，熔融紡絲的前驅體纖維轉化為不可熔融狀態。完成預穩定化工序后，纖維復絲隨即被連續送入傳統碳化爐中，并在1 600 ℃溫度下進行碳化。

張興珂 譯 于俊榮 校