碳纤维量产加速，日碳企继续扩大优势
2016年1月14日，新能源产业技术开发机构（NEDO）宣称已经开发新一代碳纤维制造技术。
碳纤维材料作为NEDO创新材料研发项目的一部分，是和东京大学、产业技术综合研究所、东丽、帝人、帝人旗下东邦以及三菱丽阳共同研发的项目。
此次技术革新的碳纤维量产工艺，不仅比传统模式的生产速度提高10倍，还能够大幅降低设备能耗和减少CO2的排放量。
此次开发的碳纤维快速量产技术，不仅适用于汽车制造，还可以应用在航空航天、产业设备等其他领域。
相信大家都知道，碳纤维因其具备高强轻质、使用寿命长等特性，能够被广泛用于飞机、汽车和体育休闲用品。
目前，PAN基碳纤维是碳纤维市场的一大主流，2014年日本三大碳纤维企业的PAN基碳纤维已经占据了全球65%的市场份额。其中55%左右的碳纤维复合材料都是以PAN基碳纤维为原料制备而成。
预计到2020年，PAN基碳纤维市场将以每年15%的速度保持增长。
近几年来，随着人们环保意识的增强，降低燃油消耗，减少环境污染等问题也越来越受到人们的关注。诸如波音787飞机、雷克萨斯LFA、宝马i系列、商用船螺旋桨、风力发电叶片等等都应用了碳纤维材料。
虽然人们对碳纤维需求大幅增加，但是碳纤维生产周期长、能源消耗大，并不能满足各个产业对碳纤维的需求。目前碳纤维年产能在数万吨，据NEDO统计的数据，2012年碳纤维生产量为4万吨，每公斤价格5000日元。
但就目前市场上，仅汽车产业最低年用量也需要不下十万吨。
正是基于这一现状，日本加大了对碳纤维生产技术的投入和研发，碳纤维的快速量产技术也是趋势所向。
新一代碳纤维制造技术，利用新开发的PAN聚合物作为前驱体，省去了预氧化步骤。
此次开发的新型PAN聚合物，具有溶剂可溶、耐热、成本低等特点，可用于纺织衣料。
在新型PAN聚合物中加入催化剂、氧化剂，在溶液中进行氧化反应。
也就是说，在制备聚丙烯基纤维的阶段，就已经完成了氧化反应。这项成果在全球范围内属于首例。
另外，研究小组还开发了一种溶剂可溶性芳香族聚合物。跟原来的前驱体相比，更容易碳化，可以用来生产大直径碳纤维。碳纤维的直径越粗，越容易量产化，同时也有助于提高原料的生产率。
另一方面，传统的碳化过程，需要使用专用的加热炉，在低温（1000—2000℃）以及高温（2000—3000℃）下碳化。而在技术革新之后，可以在大气压下用电磁波直接加热。因此，就不再需要高温加热设备，简化了整个碳化过程。
在完成电磁波碳化后，导入等离子表面处理技术，将大幅缩减整个生产工艺。
凭借新型聚合物的开发、电磁波加热技术、等离子表面处理技术这三大技术的创新，生产碳纤维所需的能耗和CO2排放量将骤减50%以上，单位时间里碳纤维生产量提高10倍。
到2020年，碳纤维年需求将达到12万吨，采用新型碳纤维生产工艺，可以实现每年减少132万吨CO2排放量，相当于一年46万KL的原油用量。
采用最新技术生产的碳纤维，弹性模量达到240GPa，强度达到3.5GPa，伸长率达到1.5%。虽然这几项性能比日本国内传统工艺生产的碳纤维性能略低，但是完全可以被用于工业制品，即使在飞机上也能被应用。
此次，新型制造技术的开发，将大幅加快碳纤维的量产进程。今后，随着推进碳纤维制造技术实用化，碳纤维性能也将逐步提高。
但问题在于，从当前模式向新的生产模式转型，需要引进电磁波加热装置、等离子表面处理装置，以及对碳纤维生产线需要投资多少程度等问题，在这些方面目前尚不明确。
关于这项新技术，东京大学工科研究所影山和郎教授谈道，这项技术创新的关键在于制备前驱体。他表示，溶剂可溶性耐氧化聚合物的合成十分困难，此项技术根本无法模仿，这将使日本在今后碳纤维量产上保持长期优势。
来源：unima新材网
