為了提升碳纖維復合材料的專業技術知識，本公眾號特此建立了復合材料技術報告專題，介紹了國外各領域碳纖維復合材料的新技術開發，本文介紹了2021年5月1日新在線出版，美國橡樹嶺實驗室關于煤焦油瀝青基碳纖維開發的技術報告，對比了煤瀝青基碳纖維與傳統PAN基碳纖維成本。

煤炭是一種多用途的資源，它在歷史上推動了工業革命、運輸和能源生產，并持續滿足對電力的需求。美國擁有上大的煤炭儲量，煤炭質量高，回收成本低（即0.03美元/千克至0.10美元/千克）。然而，隨著資源逐漸轉向天然氣和可再生能源，發電用煤的需求有所下降，這種下滑影響了美國煤炭行業的經濟活力。

 

　　從歷史上看，美國國內對煤炭的需求主要是由電力部門推動的，電力部門約占總需求的93%，其次是工業用途（主要用于水泥和化學品）和鋼鐵生產（焦炭）。煤的復雜、致密的碳化學結構，豐富的供應以及穩定、低廉的價格使其在多種增值非燃料煤產品（如納米材料價格為20000美元-100000美元/千克，通用級碳纖維價格為22美元-33美元/千克）以及升級的煤炭燃料中具有巨大的應用潛力。

　　煤炭可以通過采用炭化、氣化、液化三大轉化路線，使其加工成為燃料、化工、碳纖維、石墨電極、煉鋁廠電極等高附加值煤炭產品。在高價值煤炭產品中，瀝青碳纖維被認為是潛在的高價值煤炭產品之一，其需求預計將在2022年達到約12萬噸（約45億美元）。

　　該技術報告側重于從能源、排放和經濟/成本方面對其可持續制造進行初步的技術經濟分析。報告中通過兩種不同工藝（RC工藝和傳統焦炭工藝）對煤焦油瀝青的具體能量估算分別為56和38MJ/kg，而傳統PAN前驅體的具體能量估算為94MJ/kg。

 

　　使用生命周期分析SimaPro軟件，對瀝青碳纖維和傳統PAN碳纖維進行了從原煤開采到終碳纖維制造的能源估算，從原始的各向同性瀝青開始，然后依次轉化為中間相煤瀝青前驅體，后進行多步自動終碳轉化。常規PAN碳纖維生產將產生1188MJ/kg能量，而瀝青碳纖維制造的總體現能量比其低2.4～2.5倍；而且煤瀝青纖維的終碳纖維轉化率為74%，而聚丙烯腈纖維的終碳纖維轉化率為45%。

 

　　利用工業初步處理數據，對煤瀝青基碳纖維的制造成本進行了估算，包括兩個主要工藝步驟：將各向同性瀝青轉化為中間相瀝青前體熔融紡絲，然后再利用多步間歇帶式烘箱中進行碳纖維終制造。根據分析，基于瀝青原料初始成本3.30美元/kg，預計中間相瀝青前驅體成本為4.52美元/kg，終對于生產產能為750噸/年50k規格碳纖維產線，其碳纖維成本約為10.29美元/kg。

　　與之相比，PAN基碳纖維價格為18美元–22美元/kg。纖維前體成本占纖維總成本的50%以上。因此，與傳統PAN基碳纖維相比，煤瀝青碳纖維的74%纖維轉化率提供了明顯降低碳纖維成本方案。