Fraunhofer研究所:用于轻质建筑的低成本碳纤维

德国Fraunhofer应用聚合物研究所(IAP)的ComCarbon技术，使碳纤维的低成本生产成为可能。该研究所于2018年4月25—29日在德国柏林举办的航空航天贸易博览会(ILA Berlin2018)上展示了这项新技术。他们还介绍了聚合物基轻质结构和功能集成塑料的应用实例。

无论是飞机、赛车、高性能游艇还是自行车，碳纤维都是用于制造轻质复合材料的先进的增强纤维。然而，碳纤维进入汽车、建筑及其他一些目前使用玻璃纤维或天然纤维作为增强材料的行业仍困难重重，主要原因之一是目前碳纤维的生产成本较高。大幅降低碳纤维价格将大大增加这些行业对碳纤维的使用。

1 一种可熔的前驱体

传统碳纤维生产过程中，生产成本约有一半是在生产前驱体聚丙烯腈(PAN)纤维的过程中产生的。这种前驱体纤维不能熔融，因此，只能使用成本高的溶液纺丝工艺生产。

目前，Fraunhofer IAP已经开发出一种基于PAN前驱体的替代制备技术如图1所示，可将PAN纤维的生产成本降低约60%。该技术主要是制备了一种特殊的、可熔融的PAN共聚物，从而使得采用低成本的熔融纺丝工艺制备纤维成为可能。一旦PAN共聚物转变为不可熔态，这些低成本的前驱体纤维就可以采用与传统前驱体纤维相同的方式，利用现有生产工艺加工成碳纤维。

图1 PAN纤维是生产碳纤维的理想 前驱体材料(© Fraunhofer IAP)

2 采用熔融纺丝工艺节约成本

熔融纺丝相比溶液纺丝具有较大的经济和环境优势。熔融纺丝不使用任何对环境有害的溶剂，且这些溶剂必须以很高的成本进行回收。另外，不使用溶剂意味着熔融的材料全部可用作纺丝，大大提高纺丝速度。

3 碳纤维的制备

在生产碳纤维时，前驱体纤维必须进行稳定化和碳化处理。为此，熔融纺丝的前驱体纤维转化为不可熔融状态。完成预稳定化工序后，纤维复丝随即被连续送入传统碳化炉中，并在1 600 ℃温度下进行碳化。

张兴珂 译 于俊荣 校