1. <table id="99en4"></table>
      2. <pre id="99en4"><s id="99en4"></s></pre>
        <p id="99en4"></p>
        <table id="99en4"><ruby id="99en4"></ruby></table>
      3. <track id="99en4"></track>
      4. 您好,歡迎來到湖南省新材料產業協會!

        擴大規模是坦途嗎?碳纖維的低成本化之路

        2019-06-27 來源 : 本站 點擊

        PAN基碳纖維憑借著其優異的力學性能和可加工性,已經在航空航天、汽車產業、風電葉片、體育產品等領域獲得廣泛應用。但是眾所周知,碳纖維生產過程的高能耗、高昂生產成本在其出現伊始便備受關注,因此自從碳纖維問世以來,研究人員便積極探尋碳纖維低成本之路。

         

        進入21世紀以來,以美國能源部(簡稱“DOE”)橡樹嶺國家實驗室(簡稱“ORNL”)為代表的科研單位重新提出碳纖維低成本化研究,經過十余年發展,這種碳纖維低成本化探索究竟取得何種成效?本文將帶你去詳細的了解。

         

        01 碳纖維生產成本分析

         

        PAN基碳纖維高昂的生產成本究竟來源于何道工序?圖1碳纖維生產過程的成本構成可以為大家詳細展示。碳纖維約一半的成本來源于PAN原絲的制備,PAN原絲制備流程較長,主要包括聚合、紡絲、蒸汽牽伸、上油、卷繞等工序。

         

        "
         
         
         

        圖1 碳纖維生產過程的成本構成

         

        在PAN原絲的預氧化階段,雖然預氧化溫度不高,只有180-300℃,但是處理周期較長,往往需要90-120min,因此能耗較高,成本占到碳纖維成本16%;碳化、石墨化雖然處理時間較短,但是其設備運行溫度高,而且需要保護氣體,導致其成本占碳纖維23%。

         

        02 碳纖維的低成本化途徑

         

        在碳纖維低成本探索過程中,橡樹嶺國家實驗室(ORNL)提出了幾種途徑,尤其是在碳纖維前驅體領域,由于傳統碳纖維前驅體—PAN原絲生產成本約占碳纖維成本一半,因此ORNL科研人員提出三種原料替代方案:

         

        a、以可再生資源-木質素作為碳纖維前驅體的原材料;

        b、采用紡織品級PAN纖維作為碳纖維前驅體;

        c、以含碳量高的聚烯烴為原料制備前驅體。

         

        除了上述三種方案外,還提出以熔融紡絲PAN為原料生產碳纖維,四種原料及傳統PAN基碳纖維生產成本如下表所示。從表中可以看出木質素為原料生產碳纖維成本最低,因此隨著原料概念提出,到其成本預估獲得可喜的降成本效果,木質素基碳纖維再次進入研究人員的視野。

         

        "
         
         
         

         

        但是木質素基碳纖維生產難度如何?先從木質素結構說起,圖2顯示了軟木(G型)和硬木(S型)木質素的代表性結構,軟木木質素難以紡絲,但其結構易于發生交聯;硬木木質素雖然紡絲性能優異,但是難以發生交聯。而碳纖維前驅體PAN原絲不但具有優異可紡性,而且可以在預氧化環境下發生交聯。

         

        "
         
         
         

        圖2 木質素的化學結構

         

        木質素獨特結構決定了其難以成為碳纖維原料,為此國內外研究學者嘗試將木質素添加到丙烯腈中進行共混紡絲,部分研究甚至制備得到了碳纖維,但是性能卻很不理想。

         

        從碳纖維制備流程看,高品質PAN原絲是制備高性能碳纖維的關鍵,尤其是PAN原絲階段缺陷控制尤為重要,而如果在其中加入了木質素,無疑提高了結構缺陷產生的比例,制備的碳纖維性能自然不理想。

         

        03 橡樹嶺國家實驗室碳纖維低成本之路

         

        2007年,橡樹嶺國家實驗室(ORNL)宣布開發出一種新的高速氧化方法,即交聯聚丙烯腈基碳纖維加工過程,使其固有的獨特直鏈能經受住高溫加工過程;同時還開發了一種微波等離子體裝置,組合典型獨立和有序的碳化以及石墨化過程,簡化生產工藝,上述工藝可節省成本2.2美元/kg。

         

        與此同時,構思出采用聚丙烯腈外的其他材料作高性能碳纖維用原絲,包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等聚烯烴類高分子材料及木質素等,或是通過改進現有聚丙烯腈原絲的工藝技術,例如采用化學改性、輻照穩定化處理等,達到降低原絲成本的目的。

         

        2009年3月由美國政府和企業共75家單位發起成立了美國ORNL碳纖維科技部,目的是加快碳纖維的產量化和低成本化。并制定了汽車領域用低成本木質素基碳纖維的研究計劃,對性能參數提出要求,即強度至少達到1.71Gpa(大約是T300強度的一半),模量至少達到171Gpa,斷裂伸長率大于1%。圖3為美國能源部ORNL提出低成本碳纖維的力學性能范圍。

         

        "
         
         
         

        圖3 ORNL目標碳纖維力學性能區間

         

        隨后,ORNL更是制定了長期發展規劃,低成本碳纖維研制共分五個階段,第一階段是概念提出,第二階段是開發技術,第三階段是實驗室規模試制,第四階段是技術驗證,最后是技術成熟投放市場,具體路線如圖4所示。

         

        "
         
         
         

        圖4 ORNL低成本碳纖維發展路線圖

         

        從上述ORNL低成本路線發展路線可以看出,ORNL希望能夠在2012年-2013年前后完成第三階段即:實驗室技術研制;并且提出了具體指標,到2012年9月木質素基碳纖維的拉伸強度、拉伸模量分別達到250ksi、25MSi,換算成MPa單位即分別1.71GPa、171GPa。

         

        而實際上到了2012年初時,ORNL制備木質素基碳纖維的拉伸強度僅僅做到1.07GPa,而拉伸模量也僅僅為80GPa,如圖5所示,因此ORNL開發的木質素基碳纖維性能與目標值還存在不小差距,尤其是過低的拉伸強度極大限制了其應用。

         

        "
         
         
         

        圖5 ORNL木質素基碳纖維性能

         

        2013年7月,在美國紐約水牛城舉行的國際碳纖維會議上, ORNL多位專家發言指出,以Lignin木質素為原料制造低成本碳纖維是今后碳纖維的發展,并預計用木質素做的網狀碳纖維成本可以控制在每公斤4~5美元,若能實現則成本遠低于常見的T300碳纖維,性價比也高出很多。

         

        在之后一段時間,ORNL提倡的木質素基碳纖維似乎石沉大海,無疾而終,據說研制的碳纖維性能達到了拉伸強度1.71GPa、拉伸模量的171GPa的既定目標,但按照ORNL最初制定的規劃在2017年木質素基碳纖維技術投放市場的宏愿始終也沒實現。與此同時,日本東麗T1100強度已經達到7.0GPa,2015年美國佐治亞理工利用凝膠紡絲制備了強度5.5-5.8GPa,拉伸模量為354-375GPa碳纖維。

         

        既然木質素概念提出了很多年,ORNL自然就不會舍棄,根據最新的報道,2018年ORNL宣布在其五年多木質素研究經驗基礎上,成功開發出適宜3D打印的木質素-尼龍復合材料,該材料由木質素、橡膠、碳纖維和ABS組合而成。與單獨的ABS相比,使用該材料打印的3D部件在各層之間的粘合強度提高了100%。

         

        該成果的公布使熱衷于木質素研究學者為之一振,但是似乎又與ORNL最初提出的木質素基碳纖維應用相去甚遠。而且最主要的是在木質素基碳纖維整個研制過程中,ORNL自始至終沒有公布木質素基碳纖維實際生產成本。雖然ORNL的木質素基碳纖維已經離開了大眾視野,但是近年來國內外科研機構似乎有遍地開花的趨勢。

         

        04 碳纖維的低成本化

         

        目前按照PAN原絲紡絲方法,碳纖維主流制備工藝包括濕法紡絲和干噴濕紡兩種,干噴濕紡紡絲速度快,生產成本較低,其代表產品為日本東麗T700,該產品是目前國內民用領域用量最大的一款碳纖維。

         

        除了成型工藝,即便是濕法紡絲工藝通過產能放大,還是可以實現成本降低,試想在不考慮裝置和技術因素下,在預氧化和高溫碳化、石墨化階段,絲束通過量由100根增加至1000根,絲束運行時間相同、能耗差異不大,成本自然會降低。工廠規模放大成本前后對比如圖6所示。

         

        "
         
         
         

        圖6 規?;糯笄昂筇祭w維成本對比

         

        按照圖6對比顯示,通過規模放大就可以使原有碳纖維生產總成本9.88美元降低2.03美元,其降低幅度也算是相當可觀,極具吸引力,尤其是對于碳纖維企業來說,既然從100噸升級到500噸、甚至上千噸,生產成本可以下降,那索性擴大規模吧。

         

        但規模放大意味著技術難度的提升,除非是具備了成熟碳纖維生產技術,如日本東麗公司動輒擴能建線,是基于數十年領域技術積累,所以擴產擴能才顯得不費吹灰之力,若是沒有厚重技術積累,單純依靠盲目擴能來降成本還是很難行得通的。

         

        05 尾 聲

         

        近十余年來,以ORNL引領的木質素基碳纖維之風吹遍了海內外,最終卻以黯然退出舞臺而告終,再次證明了大幅降低碳纖維成本是很難實現的,相反,國外一些大型碳纖維企業近年來不斷擴大生產規模和產能,反而促進其成本進一步下降,并提升了競爭優勢。

         

        如日本東麗公司在不斷擴能建線的同時,又發展出了新一代高強度高模量的M40X型碳纖維,小編認為:科研人員與其投入過多精力在碳纖維的低成本化上,倒不如繼續瞄準高性能領域,開發出M50X、M55X等關鍵技術。

        暖暖视频日本免费观看视频,成年片黄网站色大全免费国产,久热国产VS视频在线观看,92免费午夜福利1000合集
          1. <table id="99en4"></table>
          2. <pre id="99en4"><s id="99en4"></s></pre>
            <p id="99en4"></p>
            <table id="99en4"><ruby id="99en4"></ruby></table>
          3. <track id="99en4"></track>