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国际新闻

美国怀俄明州和犹他州尝试使用煤炭制备碳纤维
来源:中国复材展组委会  2017-12-20 10:35:25
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-5959.html  以煤作为原材料生产沥青基碳纤维,并不是十分新鲜的尝试。自上世纪60年代以来,包括三菱化学、日本石墨纤维公司在内的诸多企业都进行了相关的研究和探索。其中,三菱化学开发的高性能DIALEAD纤维具备高刚度、零膨胀系数的特性,对很多航空航天项目的成功起到了关键作用。

  尽管方法并不新鲜,但近几年却据此涌现出不少新的项目,主要目的无外乎以下两者:1)开发煤炭除发电之外的新应用,既能降低碳排放,还能保证煤矿工人的就业;2)将这种成本低、含碳量高的原丝转变为低成本的纤维材料,在非航天领域普及应用。


  怀俄明州(Wyoming)的尝试

  过去两个世纪里,煤炭是人类重要的能量来源和化学原料来源,衍生产品包括染料、炸药、医药等等。在电灯发明之前,煤气还是人们照明的主要工具。然而,煤炭最重要的作用是为钢铁工业提供焦炭(Coke)——一种高含碳量的冶炼用精煤,在煤的品类中等级最高、售价最贵。

  而作为生产碳纤维所用的原丝,煤和已被广泛接受的聚丙烯腈(PAN)有明显差异。美国西部研究所(Western Research Institute)总裁Don Collins表示说,煤当中包含30%的水、各类重金属和矿物质,碳元素也以五花八门的形式存在其中,“煤炭当中含有成千上万种分子结构,分子重量和处理的难易程度各有不同。”他表示要想从煤中提炼液态的碳纤维原丝,可采用如下办法:标准热解法、气化转液化法、或是溶剂提取法(加热加压条件下)。

  沥青首先是各项同性的,通过进一步热处理和萃取能够转化为各项异性或者中间相的沥青(碳原子排列更加有序)。


  目前已投入商业使用的煤-沥青基碳纤维,都是从品质较高的冶炼用焦煤中提取的,因为杂质含量少,所以生产出的碳纤维品质更高。Wyoming iPark公司研发主任Charlie Atkins表示说。Atkins所在的公司与矿业公司Romaco Carbon LLC以及若干复合材料企业共同参与了一项由美国国家能源部资助、总投资600万美元的项目。该项目的目标是以多种低成本原料制备碳纤维原丝,并对结果进行分析、比较、甄别和优选,这其中包括产自怀俄明州的非精炼煤(Non-Coking Coal)。

 “该项目的参与者虽然来自不同的行业和背景,但大家的目标都是寻找非精炼煤的新的应用方向,而我们优先考虑的思路就是将煤转化成碳纤维,其次是开发新的树脂,然后是开发可用于3D打印的碳材料。”Atkins补充说道,沥青并不是他们唯一考虑的途径,利用同样富含碳元素的生物质(例如糖)替代PAN基原丝同样也在考虑范围内。

  如果使用冶炼用焦煤,使用成本大约在每吨200美元;而如果采用Romoca矿业公司提供的煤,成本只需要不到每吨10美元。Collins透露称,项目参与者WRI公司已经开发出一种专利技术WRITECoal。该技术将加热过程切分为若干阶段,煤中的水分先被回收再利用;当温度升高到摄氏176度时,开始回收汞、砷、硒等气化了的元素;当温度达到摄氏315度,重金属元素被分离出来,最后剩下的就是焦油和沥青,进过进一步加热可以液化。Collins表示说,实验的目标是获得中间相原丝,当然项目组也会对副产品焦油等加以利用。“经过过滤和萃取,我们获得了碳纤维原丝。它不会100%是中间相,而是一种各项同性和中间相的混合物。我们将据此进行更深一步的研究。”


  随后,Ramaco矿业公司和WRI公司将获得的原丝送往橡树岭国家实验室(ORNL),在那里将原丝转化为碳纤维。同时,Advanced Carbon Products LLC公司拥有一条制备中间相沥青基纤维原丝的试验线,制备成本大约在每磅1.5美元。它也会将原丝送往ORNL进行质量检测和纤维转化。ORNL在旗下碳纤维技术中心对上述原丝进行碳化处理。在此过程中,菲亚特克莱斯勒集团、通用汽车、赫式复材、索尔维、哈泊国际、Autodesk等公司组成顾问团,为项目团队提供支持。其中,Autodesk公司和怀俄明大学机械工程学院还为项目提供了专业的设计软件,帮助以最快速度发掘碳纤维在汽车领域的潜在应用。

  “我们的目标并不仅仅是想证明,煤可以作为制备低成本碳纤维的原材料来源;我们还想在这许多种沥青基原丝配方中找到最适合生产碳纤维的那一种或几种。我们希望能更清楚的了解它们的分子结构,这样我们在试图制备具有特定性质碳纤维的时候,能够挑选出最合适的原丝配方。”

  换而言之,有些沥青基原丝刚度更高,另一些强度更高但是模量相对较低,诸如此类,不尽相同,就好像钢铁或其他金属材料也会因为原材料的差异衍生出不同的品类。“我们的目标是为汽车行业提供尽可能全面的、更加具有针对性的碳纤维制备解决方案。”

  Advanced Carbon Products LCC公司首席执行官兼市场销售副总裁Chris Boyer补充说:“沥青基碳纤维的性能足以满足汽车行业的需求(弹性强度250-300Ksi,弹性模量25-50 Msi),其价格也可控制在可接受的每磅5美元之内。”

  犹他州(Utah)的尝试

  除此以外,来自犹他大学的科学家团队也进行了类似的尝试。他们于2016年10月发起了一个投资160万美元、为期三年的研究项目,目标是研发低成本、低排放的煤-沥青基碳纤维制备技术、评估其市场前景,同时振兴犹他州的煤炭行业。该项目由化学工程教授Eric Eddings领导,受美国商务经济促进局资助,同时受犹他州先进材料制备动议法案的资助。

  “目前设备已经到位,过去数月中我们一直在制备沥青。”Eddings解释说,“纺丝和碳化将在肯塔基大学进行,由碳材料应用能源技术中心副主任Matthew Weisenberger领导完成。”研究团队将在不同条件下进行实验,以便确定沥青基碳纤维生产的最佳参数。不久前,利用犹他州自产煤炭生产的首批沥青基碳纤维刚刚制备成功。

  用低成本煤炭制备出的“最理想”的沥青基材料究竟是哪一种呢?Eddings解释说:“那完全取决于其应用领域。航空航天级别很显然对纤维级别要求最高,因此也最为昂贵;汽车行业的话,则要进一步考虑是用在什么部件的生产上。我们希望为每一种特定的应用开发专属的碳纤维材料。”对于非航空航天应用领域而言,沥青精炼的步骤可以简化甚至省略。Eddings表示说,项目团队目前正在对中间相沥青和各项同性沥青的性能做对比研究,以便找到各自适用的应用领域。整体而言,各向同性的沥青因为成本更加低廉,可能拥有更宽泛的应用前景。

  因为涉及专利技术的原因,很多细节我们无从得知。“我们的目标首先是生产纤维,然后才是想办法利用附属产品。”

  “我们希望能找到比PAN基碳纤维成本更低、而且强度/模量满足要求的碳纤维制备方法。”Eddings总结说,犹他州的煤炭行业急于找到新的应用方向,煤-沥青基碳纤维会是个不错的选择。 文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-5959.html