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替代前體：不僅僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目。尋找PAN的替代品是一項(xiàng)不小的任務(wù)。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)田納西州橡樹(shù)嶺）碳纖維技術(shù)設(shè)施（CFTF）的這條碳纖維生產(chǎn)線是幾個(gè)研究地點(diǎn)之一，其設(shè)計(jì)不僅用于處理航空航天級(jí)PAN，還用于處理紡織級(jí)PAN和非PAN前體（見(jiàn)下文）。一種非PAN替代品，木質(zhì)素，必須首先收獲、加工，然后紡成連續(xù)纖維，如圖所示，由森林研發(fā)公司Innventia（瑞典斯德哥爾摩）生產(chǎn)。
尋找替代應(yīng)用：Innventia木質(zhì)素纖維隨后由合作伙伴瑞典國(guó)家組織Swerea SiComp（Kista，Sweden）加工成機(jī)織物，用于制造這些示范夾芯板。這兩個(gè)組織希望為消費(fèi)者使用的木質(zhì)素碳纖維生產(chǎn)線產(chǎn)生興趣并獲得資金。
ORNL：調(diào)查多種選擇。紡織PAN碳纖維顯示在ORNL的可替代前體CFTF生產(chǎn)線上的生產(chǎn)過(guò)程中，這是15年研發(fā)的成果（見(jiàn)上圖中的全線照片）。ORNL也在研究由聚烯烴和木質(zhì)素前體衍生的低成本碳纖維。
略偏離復(fù)合材料路線：GrafTech International的GRI高溫爐隔熱材料（底部大圖像）是該公司與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和美國(guó)國(guó)防部合作開(kāi)發(fā)的木質(zhì)素基碳纖維的未來(lái)應(yīng)用目標(biāo)，該項(xiàng)目旨在將木質(zhì)素纖維轉(zhuǎn)化為可行的產(chǎn)品。右邊的插圖顯示了一個(gè)絕緣“堆疊”，它結(jié)合了幾層粘結(jié)的碳纖維GRI絕熱層。
木質(zhì)素纖維可以替代前體，但在替代研發(fā)方面遠(yuǎn)非新鮮事。這些木質(zhì)素基纖維是在愛(ài)荷華州立大學(xué)的一個(gè)研究項(xiàng)目下以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生產(chǎn)的，該項(xiàng)目旨在生產(chǎn)用于風(fēng)力渦輪機(jī)制造的低成本碳纖維。但木質(zhì)素基碳纖維的研究實(shí)際上可以追溯到三十年前。
與鋼和鋁相比，航空級(jí)碳纖維的卓越性能價(jià)格高昂。這是真的，部分原因是將高性能前體纖維轉(zhuǎn)化為航空航天級(jí)結(jié)構(gòu)碳纖維的過(guò)程是嚴(yán)格的，而且非常耗能。但制造碳纖維的聚丙烯腈（PAN）前體纖維的產(chǎn)量至少占最終碳纖維產(chǎn)品的50%也是事實(shí)。PAN纖維本身很昂貴，還有化學(xué)產(chǎn)率的因素：碳化后，大約需要2公斤前體才能產(chǎn)生1公斤成品碳纖維，這是碳纖維每公斤成本高的主要原因。幾十年來(lái)，研究人員一直在尋找成本較低但仍富含碳的材料，這些材料可以替代航空航天級(jí)前體，從而使碳纖維能夠在需要輕重量但可接受低于航空航天級(jí)性能的應(yīng)用中得到更廣泛的使用。
這些研究已經(jīng)為可用的碳纖維提供了許多選擇，涉及無(wú)數(shù)的芳香化學(xué)物質(zhì)，并已授予數(shù)百項(xiàng)專(zhuān)利，這些專(zhuān)利可以追溯到20世紀(jì)50年代（請(qǐng)參閱本文末尾題為“PAN的替代品是什么？”。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL，Oak Ridge，TN，US）碳和復(fù)合材料技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理、高級(jí)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所（IACMI，Knoxville，TN）材料和加工技術(shù)主任克里夫·埃伯利（Cliff Eberle）證實(shí)：“以前已經(jīng)多次研究過(guò)替代前體。”。“但市場(chǎng)的拉動(dòng)和條件的變化使得重新審視這些替代想法變得很重要，這樣我們就可以滿足擴(kuò)大材料選擇的關(guān)鍵需求。”
ORNL是參與研究PAN以外的材料如何轉(zhuǎn)化為可用于輕質(zhì)應(yīng)用的可用纖維形式的幾個(gè)實(shí)體之一。ORNL與眾多行業(yè)和大學(xué)合作伙伴調(diào)查了幾種選擇，并與瑞典、芬蘭、加拿大、巴西、澳大利亞、韓國(guó)和日本的獨(dú)立研究人員合作，表示木質(zhì)素前景廣闊。
大量的樹(shù)木=大量的木質(zhì)素
埃伯利說(shuō)，木質(zhì)素目前備受關(guān)注，因?yàn)樗详P(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。“它富含碳，成本低，有加工技術(shù)，規(guī)模合適—有很多可用的木質(zhì)素，而且是可再生的。”
就規(guī)模而言，“豐富”可能是一種輕描淡寫(xiě)的說(shuō)法：作為地球上僅次于纖維素的第二豐富的有機(jī)聚合物和最豐富的芳香族生物聚合物，木質(zhì)素幾乎存在于所有陸地植物中。其復(fù)雜、分支和非線性的分子賦予植物結(jié)構(gòu)：纖維素纖維充當(dāng)承重元件，而木質(zhì)素充當(dāng)基質(zhì)，與纖維素結(jié)合，形成結(jié)構(gòu)生物復(fù)合物，支持植物直立生長(zhǎng)。存在三種類(lèi)型的木質(zhì)素單體，有時(shí)稱(chēng)為苯丙烷類(lèi)，通常混合在同一植物中：枯芳基醇，典型的一年生植物和草；針葉樹(shù)醇，見(jiàn)于軟木樹(shù)中；和芥子醇，主要存在于硬木中。
木質(zhì)素是從紙漿和造紙廠或生物精煉廠獲得的。木屑被置于氫氧化鈉和硫化鈉的高溫溶液中，稱(chēng)為白液，以溶解木質(zhì)素并將其與纖維素纖維分離。在生物精煉廠，纖維素被用來(lái)制造乙醇；在硫酸鹽制漿廠，纖維素紙漿變成紙。來(lái)自任一工藝的含木質(zhì)素廢液或黑液可以燃燒作為燃料，或者使用沉淀工藝進(jìn)行處理以提取木質(zhì)素。
沉淀的木質(zhì)素被干燥成必須處理的粉末形式。處理包括凈化、熔融紡絲或熔融吹塑穩(wěn)定（在氧化氣氛中）和碳化。據(jù)報(bào)道，硬木木質(zhì)素融化后旋轉(zhuǎn)良好，但穩(wěn)定緩慢；軟木木質(zhì)素?fù)?jù)說(shuō)能很好地穩(wěn)定，但不會(huì)融化旋轉(zhuǎn)（spins）。然而，這些責(zé)任可能被證明是“神話”——通過(guò)一些技術(shù)創(chuàng)造力可以克服的加工限制。木質(zhì)素纖維生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵是在穩(wěn)定步驟之前保持足夠低的溫度以在不交聯(lián)木質(zhì)素的情況下拉伸纖維。
ORNL已經(jīng)報(bào)道，具有最佳機(jī)械性能的木質(zhì)素纖維來(lái)自軟木來(lái)源，并表現(xiàn)出155ksi強(qiáng)度（約為瀝青纖維的三分之一）和12Msi模量（略好于E-玻璃纖維）。通常，纖維的性能范圍要低得多。ORNL生物能源項(xiàng)目的前經(jīng)理馬克·唐寧（Mark Downing）說(shuō)：“木質(zhì)素不容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)纖維，因?yàn)椴粫?huì)出現(xiàn)排列的晶體形態(tài)。”。
一些研究人員已經(jīng)研究了將其他聚合物與木質(zhì)素“摻雜”或混合，以將其作為纖維前體進(jìn)行改進(jìn)。幾年前的一個(gè)例子是Zoltek Corp.（美國(guó)密蘇里州圣路易斯，現(xiàn)在是東麗碳纖維公司的一部分）與Weyerhaeuser（美國(guó)華盛頓州聯(lián)邦大道）的合作，利用美國(guó)能源部（DoE）的資金研究將PAN聚合物添加到木質(zhì)素中以提高纖維質(zhì)量。研究表明，隨著PAN的加入，纖維性能有所改善，但PAN的比例越大，成本就越高，所得的混合纖維往往是多孔的，這可能是由于紡絲階段PAN和木質(zhì)素之間的不混溶性問(wèn)題。
釋放木質(zhì)素的潛力
盡管目前只有少數(shù)木質(zhì)素供應(yīng)商能夠生產(chǎn)高純度纖維，但人們對(duì)木質(zhì)素纖維的興趣似乎在增加，幾家大型紙漿和造紙公司正在尋求木質(zhì)素纖維開(kāi)發(fā)。
例如，瑞典林產(chǎn)品研發(fā)公司Innventia（瑞典斯德哥爾摩）正在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的木質(zhì)素碳纖維，并在幾個(gè)項(xiàng)目中展示了它們的實(shí)用性。Innventia與查爾默斯理工大學(xué)（瑞典哥德堡）一起，以其獲得專(zhuān)利的LignoBoost工藝而聞名，該工藝從黑液中獲得大量軟木木質(zhì)素，Innventia的木質(zhì)素和碳纖維重點(diǎn)領(lǐng)域經(jīng)理托馬尼（Per Tomani）說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)了一種更好的提取軟木木質(zhì)素的方法，該技術(shù)已出售給Valmet，目前正在商業(yè)化。”此后，Valmet（芬蘭凱拉薩塔馬）在芬蘭和美國(guó)北卡羅來(lái)納州普利茅斯建造了兩座木質(zhì)素工廠。后者由Domtar（加拿大蒙特利爾，QC）運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì)年產(chǎn)量為25000公噸，并擴(kuò)大了高質(zhì)量木質(zhì)素的供應(yīng)。
托馬尼的團(tuán)隊(duì)利用軟木木質(zhì)素的來(lái)源，專(zhuān)注于了解化學(xué)成分，開(kāi)發(fā)熔融紡絲和纖維碳化的最佳實(shí)踐，并實(shí)際定制木質(zhì)素以更好地生產(chǎn)纖維：托馬尼說(shuō)“它是一種完全不同的分子，了解化學(xué)成分和加工以生產(chǎn)好的碳纖維很重要，”。
托馬尼指出：“我們不想與PAN競(jìng)爭(zhēng)。”。“我們專(zhuān)注于低成本市場(chǎng)，作為玻璃纖維和低成本PAN纖維的替代品。”盡管托馬尼不會(huì)透露他的團(tuán)隊(duì)的碳纖維特性，但他表示，該團(tuán)隊(duì)正在生產(chǎn)1K，纖維直徑為10-15微米。合作伙伴Swerea SiComp（瑞典基斯塔）是瑞典具有聚合物復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)知識(shí)的國(guó)家研究組織，該組織編織了纖維，并開(kāi)發(fā)了一種具有木質(zhì)素基碳纖維增強(qiáng)面板的輕木芯結(jié)構(gòu)復(fù)合面板。為了在汽車(chē)和其他大批量應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)輕量化，該面板將加入另一個(gè)演示器——一款由木質(zhì)素基碳纖維制成的射頻玩具車(chē)（包括玩具的電池）——以引起人們對(duì)瑞典全尺寸木質(zhì)素填充碳纖維生產(chǎn)線的興趣。托馬尼說(shuō)：“我們希望工業(yè)界和社會(huì)都有足夠的勇氣投資于這種規(guī)模的擴(kuò)大，以獲得更可持續(xù)的產(chǎn)品。”
另一家紙漿和造紙巨頭斯道拉恩索（芬蘭赫爾辛基）研究了利用其木質(zhì)素來(lái)源生產(chǎn)碳纖維的情況。該公司高級(jí)開(kāi)發(fā)工程師尼古拉斯·加羅夫（Niklas Garoff）報(bào)告稱(chēng)，與PAN不同，在木質(zhì)素拉伸和碳化過(guò)程中不會(huì)形成理想的線性取向石墨疇。為了糾正這種情況，該公司正在研究一種混合化學(xué)方法，使用N-甲基嗎啉N-氧化物溶液，在氣隙紡絲過(guò)程中，將纖維素（也來(lái)源于其紙漿和紙張活性）與木質(zhì)素結(jié)合起來(lái)。聚合物專(zhuān)家Fraunhofer IAP（德國(guó)波茨達(dá)姆）開(kāi)展了一個(gè)示范項(xiàng)目。斯道拉恩索認(rèn)為，這項(xiàng)新技術(shù)的成功演示對(duì)碳纖維具有高價(jià)值的潛力。
在北美，加拿大正在生物材料和化學(xué)品研究網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行重大研究。該網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為L(zhǎng)ignoworks，是2010年創(chuàng)建的四個(gè)研究網(wǎng)絡(luò)之一，是加拿大自然科學(xué)和工程研究委員會(huì)（NSERC）森林部門(mén)研發(fā)倡議的一部分。Lignoworks的參與者包括加拿大所有主要大學(xué)，以及工業(yè)合作伙伴Weyerhaeuser、FPInnovations（Pointe-Claire，QC，加拿大）和Alberta Pacific Forest Industries股份有限公司（Boyle，AB，加拿大）。加拿大第一家商業(yè)木質(zhì)素工廠位于AB州辛頓，旨在使用FPInnovations開(kāi)發(fā)的LignoForce技術(shù)，從West Fraser Timber Co.附近造紙廠產(chǎn)生的黑液中生產(chǎn)高質(zhì)量的木質(zhì)素。不列顛哥倫比亞大學(xué)的高志強(qiáng)（Frank Ko）教授正在領(lǐng)導(dǎo)聚合物產(chǎn)品研究工作，將木質(zhì)素來(lái)源轉(zhuǎn)化為碳纖維，用于汽車(chē)和生物復(fù)合材料應(yīng)用。
篇幅排除了對(duì)當(dāng)前許多其他木質(zhì)素研究工作的描述，這些工作包括大眾汽車(chē)（德國(guó)沃爾夫斯堡）在白色車(chē)身中使用木質(zhì)素基碳纖維的研究，以及田納西大學(xué)Art阿特·拉加斯卡斯（Ragauskas）博士領(lǐng)導(dǎo)下的木質(zhì)素和生物精煉研究工作的大學(xué)級(jí)研究。
除了前體潛力外，木質(zhì)素還顯示出作為納米材料的前景。佛羅里達(dá)州立大學(xué)與ORNL合作的研究人員表明，在纖維生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)單個(gè)碳纖維樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)嵌入無(wú)定形碳基體中的納米級(jí)石墨結(jié)構(gòu)域。這項(xiàng)研究有望將木質(zhì)素應(yīng)用于電池。加拿大的Lignoworks聚合物產(chǎn)品集團(tuán)正在研究電紡木質(zhì)素納米纖維和碳?xì)饽z，它們將與熱塑性聚合物結(jié)合用于復(fù)合材料；木質(zhì)素單體也具有作為新型導(dǎo)電聚合物的潛力。Innventia也在研究木質(zhì)素納米纖維的靜電紡絲，托馬尼說(shuō)，這方面的信息將在今年晚些時(shí)候公布。
順便說(shuō)一句，對(duì)低成本PAN前體的研究也在繼續(xù)。邁克爾·凱斯勒（Michael Kessler）博士曾在愛(ài)荷華州立大學(xué)研究用于風(fēng)力葉片的木質(zhì)素碳纖維，目前正在華盛頓州立大學(xué)（美國(guó)華盛頓州普爾曼市）的華盛頓州撥款下開(kāi)發(fā)一種從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)衍生的C6糖到生物基丙烯腈的路線，目的是用它制造PAN，然后制造碳纖維。在美國(guó)能源部能源效率和可再生能源辦公室（EERE）的資助下，南方研究所（SRI，Birmingham，AL，US）正在開(kāi)發(fā)一種將糖從非食品生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化為丙烯腈的催化過(guò)程，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL，Golden，CO，US）也在研究和優(yōu)化多種生物丙烯腈的途徑，碳?xì)浠衔颬AN的介入。
潛在的實(shí)際差距
然而，所有這些都代表著潛力。由替代前體生產(chǎn)的碳纖維在復(fù)合材料行業(yè)的市場(chǎng)應(yīng)用仍然難以捉摸。到目前為止，木質(zhì)素基碳纖維的商業(yè)應(yīng)用僅限于一種，而且它不是一種復(fù)合材料。
ORNL的埃伯利警告說(shuō)：“我們不是在微調(diào)航空航天纖維。”。“我們正在從頭開(kāi)始研究顛覆性技術(shù)，使碳纖維更廣泛地使用。”但托馬尼指出，“現(xiàn)在在碳纖維研究方面有很多活動(dòng)，使用木質(zhì)素或其他原料。總有人會(huì)成功的。”
橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
在北美，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL，Oak Ridge，TN，US）一直處于研究用于制造航空級(jí)碳纖維的聚丙烯腈（PAN）前體替代品的前沿。15年多來(lái)，該小組一直在研究低成本碳纖維生產(chǎn)，使用的替代品包括紡織級(jí)PAN、聚烯烴和木質(zhì)素。經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的項(xiàng)目，ORNL現(xiàn)在是美國(guó)能源部碳纖維技術(shù)設(shè)施（CFTF）的所在地，2013年，Harper International（美國(guó)紐約州蘭開(kāi)斯特市）在該設(shè)施安裝了一條靈活且完全儀器化的碳纖維生產(chǎn)線。ORNL的康妮·杰克遜（Connie Jackson）負(fù)責(zé)纖維生產(chǎn)，她說(shuō)，新的纖維生產(chǎn)線配有低溫和高溫槽式爐，足夠靈活，可以在半生產(chǎn)規(guī)模上處理非PAN衍生纖維。作為未來(lái)研究的一部分，該生產(chǎn)線可以適應(yīng)非傳統(tǒng)加工技術(shù)，如基于等離子體和微波的熱處理和穩(wěn)定，到目前為止，這種技術(shù)的規(guī)模較小。
該集團(tuán)目前的工作涉及碳化從多家供應(yīng)商處獲得的成本最低的PAN，通常用于服裝。纖維以超大絲束形式（高達(dá)610K）碳化。杰克遜說(shuō)，生產(chǎn)的絲束已被證明具有約500千磅/平方英寸的“適度”抗拉強(qiáng)度。CFTF的部分活動(dòng)涉及開(kāi)發(fā)處理纖維的方法，包括等離子體處理、與熱塑性塑料相容的上漿以及更易于管理的纖維產(chǎn)品的絲束分裂。
2011年，ORNL成立了橡樹(shù)嶺碳纖維復(fù)合材料聯(lián)合會(huì)，以加快開(kāi)發(fā)和部署新型、低成本的碳纖維復(fù)合輕質(zhì)材料，提高美國(guó)制造商的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。到目前為止，有50多個(gè)財(cái)團(tuán)成員正在參與項(xiàng)目和技術(shù)轉(zhuǎn)讓倡議。該財(cái)團(tuán)目前正在與先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所（IACMI，美國(guó)田納西州諾克斯維爾）合并。
ORNL碳和復(fù)合材料技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理、現(xiàn)任IACMI材料和加工技術(shù)總監(jiān)克里夫·埃伯利（Cliff Eberle）表示，“我們的論文是通過(guò)努力為美國(guó)納稅人實(shí)現(xiàn)能源安全和降低能源成本來(lái)推動(dòng)的。僅在美國(guó)，我們每天就使用1900萬(wàn)桶石油，其中約70%用于運(yùn)輸。如果我們能用低成本碳纖維制造的重量更輕的汽車(chē)來(lái)減少能源使用，這將對(duì)我們的國(guó)家產(chǎn)生巨大影響，并使我們更接近能源獨(dú)立。”
木質(zhì)素碳纖維的首次商業(yè)應(yīng)用？
GrafTech International（美國(guó)俄亥俄州獨(dú)立市）正在與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)田納西州橡樹(shù)嶺ORNL）和美國(guó)能源部先進(jìn)制造辦公室（DoE AMO）合作，開(kāi)發(fā)木質(zhì)素纖維制造并在可行的產(chǎn)品中進(jìn)行演示。該公司正在為GrafTech的商標(biāo)為GRAFSHIELD和FiberForm的高溫工業(yè)爐保溫產(chǎn)品研究木質(zhì)素基碳纖維（FiberForm以前由fiber Materials股份有限公司生產(chǎn)，現(xiàn)在是GrafTech公司的一部分）。
GrafTech的創(chuàng)新和技術(shù)經(jīng)理瑞安·保羅（Ryan Paul）解釋說(shuō)，他的公司目前的絕緣產(chǎn)品是用瀝青或人造絲基碳纖維制成的，但該公司希望使用美國(guó)的低成本纖維來(lái)源。這導(dǎo)致GrafTech幾年前與ORNL合作，當(dāng)時(shí)使用硬木來(lái)源的木質(zhì)素前體生產(chǎn)并測(cè)試了木質(zhì)素纖維隔熱產(chǎn)品原型。2014年末，美國(guó)能源部AMO授予GrafTech一項(xiàng)合作協(xié)議，通過(guò)克服與木質(zhì)素前體和纖維生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大相關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，提高木質(zhì)素技術(shù)的技術(shù)準(zhǔn)備水平。
保羅解釋說(shuō)，GrafTech更喜歡純木質(zhì)素，至少目前添加的聚合物很少。“高純度是關(guān)鍵，幾乎沒(méi)有灰燼和其他污染物，這樣纖維就可以熔融紡絲。我們還針對(duì)前體中特定范圍的分子量。”
保羅說(shuō)，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是，每種木質(zhì)素來(lái)源都不同，需要一個(gè)由多個(gè)供應(yīng)商組成的穩(wěn)定供應(yīng)鏈：“我們正在確定一系列美國(guó)木質(zhì)素供應(yīng)商，并試圖確定哪種來(lái)源，甚至哪種植物是最好的。”
其概念是將纖維熔噴成纖維網(wǎng)，整個(gè)纖維網(wǎng)在250°C至300°C的溫度下穩(wěn)定，然后碳化。ORNL的碳纖維生產(chǎn)線現(xiàn)已全面投入運(yùn)營(yíng)；GrafTech計(jì)劃在2016年至2017年將技術(shù)提升到一個(gè)新的水平，隨著項(xiàng)目的推進(jìn)和里程碑的實(shí)現(xiàn)，GrafTech將評(píng)估將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
由于纖維經(jīng)過(guò)研磨、定尺寸和加工成剛性隔熱板，因此這種墊子形式有望很好地適用于GrafTech的產(chǎn)品。當(dāng)安裝隔熱材料時(shí)，纖維最終結(jié)合在一起，并平行于爐壁排列，在1500°C下提供0.45 W/mK的平面熱導(dǎo)率，同時(shí)提供足夠的強(qiáng)度來(lái)承受搬運(yùn)和機(jī)加工。保羅補(bǔ)充道，“我們希望獲得良好的纖維質(zhì)量，但我們也可以避免一些纖維孔隙率和一些較短的纖維，并且仍然獲得我們需要的功能。”
ORNL的碳和復(fù)合材料技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理克里夫·埃伯利表示：“這是一個(gè)了解應(yīng)用程序的性能要求，并最大限度地提高纖維產(chǎn)品在該應(yīng)用程序中的價(jià)值的問(wèn)題。我們不需要航空航天級(jí)的完美纖維來(lái)滿足許多此類(lèi)大批量應(yīng)用。”。
保羅補(bǔ)充道：“我們將追求‘唾手可得的成果’，提供可持續(xù)的、最終可定制的碳纖維解決方案，其價(jià)格是我們當(dāng)前產(chǎn)品的一半。”
PAN的替代品有哪些？
由高質(zhì)量聚丙烯腈（PAN）前體生產(chǎn)的碳纖維通常質(zhì)量最高，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件（例如商用飛機(jī)機(jī)體），因此獲得了航空航天級(jí)的稱(chēng)號(hào)，并占當(dāng)前碳纖維市場(chǎng)的95%。但是，由其他前體制成的碳纖維正在商業(yè)上使用，并且已經(jīng)研究了更多的前體替代品。
最著名的商業(yè)替代品是瀝青和人造絲。瀝青基碳纖維最早由聯(lián)合碳化物公司于20世紀(jì)60年代初生產(chǎn)，現(xiàn)為GrafTech（獨(dú)立，俄亥俄州，美國(guó)），來(lái)源于富含芳烴的原油或煤蒸餾殘余物。纖維可以在沒(méi)有機(jī)械拉伸的情況下形成，使其比PAN更容易加工，但結(jié)果是成品碳纖維具有高模量和優(yōu)異的導(dǎo)熱性，這取決于加工和石墨化的程度，但拉伸強(qiáng)度低于PAN基碳纖維。瀝青纖維用于從飛機(jī)剎車(chē)到太空衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的各種應(yīng)用，其中熱管理至關(guān)重要。
基于纖維素人造絲（Rayon）前體可以追溯到托馬斯·愛(ài)迪生的第一個(gè)電燈泡，其中纖維被用作燈泡燈絲。酚醛基體中的人造絲（Rayon）基碳纖維仍被用于制造固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SRM-）中的燒蝕絕緣材料，其性能優(yōu)于任何其他碳纖維。纖維的細(xì)鋸齒（“狗骨”）橫截面意味著良好的層間剪切性能和與酚醛樹(shù)脂的結(jié)合，以及低導(dǎo)熱性。事實(shí)上，所有人造絲生產(chǎn)都已轉(zhuǎn)移到美國(guó)境外，但仍有積極的研究旨在回流人造絲纖維生產(chǎn)：田納西大學(xué)與空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和Advanced Ceramics（美國(guó)新澤西州蘭伯特維爾）最近報(bào)告了一種實(shí)驗(yàn)性人造絲纖維基碳纖維的進(jìn)展。
幾十年前，木質(zhì)素首次被認(rèn)為是碳纖維的可行候選者。一個(gè)例子是20世紀(jì)70年代初由日本Kayaku公司生產(chǎn)的Kayacarbon碳纖維。但是，專(zhuān)利文獻(xiàn)揭示了更多潛在的前體，其中包括聚乙烯（高密度和低密度）、聚烯烴、Saran（聚偏二氯乙烯-聚氯乙烯共聚物）、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚酰亞胺、苯酚/六胺和苯酚/甲醛/氨、酚類(lèi)、芳香族聚酰胺6/6、各種聚苯苯并噻唑（PBZTs），和聚（對(duì)亞苯基苯并雙惡唑（PBO）。所有這些都已在實(shí)驗(yàn)室或中試規(guī)模進(jìn)行了研究，取得了不同程度的成功，預(yù)計(jì)成本低于航空航天級(jí)PAN。
原文見(jiàn)，《Alternative precursor R&D: Lignin in the lightweighting limelight 》 2016.1.29
楊超凡 2024.3.21