聚丙烯腈基碳纤维的应用(附制造工艺流程图解)

据统计,当前聚丙烯腈(PAN)基碳纤维约占碳纤维总产量的90%以上,沥青基约占7%,粘胶长丝基约占1%。为了降低碳纤维生产成本及对化石原料的依赖,基于生物质的碳纤维原丝研究日益受到关注,例如木质素、甘油(丙三醇)和木质纤维素糖等原料的开发利用。

「原创」生物基碳纤维的发展现状

几种不同原料生产碳纤维的简要工艺流程

木质素

木质素是自然界中最为丰富的、携有芳烃环的生物质资源之一。针叶树种一般含有25%~30%的木质素,阔叶树的木质素含量为20%~25%。木质素是天然聚合物,亦是制浆和造纸工业的副产品,以其为原料生产碳纤维具有较好的商业潜力。硫酸盐法制浆工艺为广泛使用的工艺技术,采用高温和碱性化学品,从纤维素中分离木质素。有机溶解浆是利用有机溶剂脱出木质素,可生产无硫木质素,但成本较高昂。旋转制浆工艺是高温下的浓缩过程,木质素纯度较高,适宜转化为产品。木质素市场价格较石油基ACN要低得多,成本优势明显。

「原创」生物基碳纤维的发展现状

木质纤维素糖

使用非粮生物质原料,采用催化工艺转换为生物基ACN,或采用生物途径制得ACN。美国能源部生物能源技术办公室(BETO)欲降低碳纤维生产成本,使原丝成本降至1美元/磅,碳纤维总成本降至5美元/磅。研究中,其采用C5、C6混合糖为原料,通过移去不纯物,加氢裂解、脱水,得到丙烯醛,再经过氨氧化反应生成生物基ACN。据测算,1kg糖原料约产出0.63kg产品,生物基ACN的生产成本应该不低于0.72美元/kg。产业化后可大幅降低生产成本。据了解,其意欲建设5000t/a生产工厂,催化剂寿命3年。生物基ACN成本最低0.60美元/kg,最高成本0.98美元/kg。

甘油

以甘油为原料的ACN合成技术是甘油的有效利用途径之一。可通过气相或液相直接合成ACN,或以催化转换方式,甘油直接脱水和气相转化为烯丙醇,并直接氧化成生物基ACN。

目前,国内碳纤维产量不高,生产能力和实际产量相差很大,设备利用率低,研发能力不足。新能源、储能材料等相关行业的快速发展为碳纤维行业带来新的机遇。行业本身也面临绿色化和数字化转型压力,需进一步提高非化石原料的比重,加快生物基碳纤维的研究开发。生物基碳纤维目前多选用木质素为原料生产原丝,其加工成本约占碳纤维总生产成本的51%。

「原创」生物基碳纤维的发展现状

根据研究,木质素基碳纤维的价格有望降至4美元/kg,从成本角度考虑,其在未来将有较好的开发前景。以木质素为原料加工碳纤维,如能获取高纯度、窄分子量分布的原丝,同时安装并调试造粒设备,将更便于熔融纺丝,此外还要强化原丝卷绕技术,提供足够的卷绕批次试验,加强原丝表面处理,提高相容性。此外,鉴于木质素基碳纤维机械性能不高,目前多应用于隔音、隔热、绝缘等领域,如要拓展在高性能领域的应用,需进一步提升原丝物理性能。

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