美国开发石油、煤及生物质基低成本碳纤维

日前,一项由美国西部研究所(Western Research Institute)开展的旨在开发车用低成本碳纤维的项目,获得美国能源部(DOE)批准进入三年项目实施期的第二年。

该项目名为“美国低成本碳纤维生产联盟(Consortium for the Production of Affordable Carbon Fibers in the United States)”,由美国能源部能源效率与可再生能源办公室(EERE)旗下的车辆技术办公室(VTO)设立,旨在通过将碳纤维的生产成本降至每磅5美元左右,实现车辆减重,从而提高燃油经济性、减少尾气排放。西部研究所的初步成本分析预测,生产碳纤维的成本将低于汽车行业确定的每磅5美元的目标。

据该研究所所长Don Collins介绍,项目实施第一年共研究了三种天然候选材料——煤、原油和生物质,其中,煤和原油用来生产沥青基碳纤维,生物质用于生产PAN基碳纤维。每种纤维因具有不同的性能,可应用于不同的领域。

三种材料均通过了项目第一阶段的强度目标,接下来的第二年,研究者计划将以批量化生产为目标重点提高纤维的性能。项目的另一个目标是开发一种可预测的模型软件,用来对碳纤维强度相关的初始材料组成和生产工艺的变化进行精确预测。

该项目由西部研究所主持开展,项目组成员包括怀俄明州大学机械工程系、麻省理工(MIT)和橡树岭国际实验室(ORNL)的研究人员,以及若干私营企业。项目总投资520万美元。

近几年美国碳纤维研究计划

1、美国能源部

美国能源部(DOE)对外宣布,能源效率和可再生能源办公室为加强美国能源安全、环境质量和经济活力,正加快能源效率、可再生能源技术以及基于市场的解决方案的开发。为推进以农业残留物、木本生物质等可再生非食物基原料生产具有成本竞争力的可再生高性能碳纤维材料,将对两个项目进行1130万美元资助。

这两个项目分别由阿拉巴马州伯明翰的南部研究所(SRI)以及科罗拉多州哥顿的国家可再生能源实验室(NREL)进行研究。其中,SRI将获得590万美元,用于创新一个针对非食用生物质糖类转化为丙烯腈的多步骤催化过程;NREL将获得530万美元,用于研究和优化多通路生产生物质衍生的丙烯腈。此项目将研究开发新的生物质转换技术,以使生产高性能碳纤维的重要原料丙烯腈成本降至1美元/磅以下。而美国能源部计划在2020年以前,将生物质可再生碳纤维的生产成本降至5美元/磅以下。

美国能源部正帮助制造商利用碳纤维相关材料减少车重,从而改善燃油效率。研究表明,当车重减少10%后,燃油经济就能提高6%～8%。碳纤维相关材料可以对清洁能源技术组件进行优化,其中包括风力涡轮机叶片、加压燃料电池储氢容器以及节能建筑保温材料等。

DOE方面表示,碳纤维材料在成本节约、性能提高方面发挥着至关重要的作用。近年来,碳纤维材料在汽车零部件生产领域应用广泛。该种车用塑料不但能够减轻车重,实现轻量化设计,还能节能降耗,保护环境。此前,为鼓励生产企业用聚烯烃代替传统的聚丙烯腈为原料生产碳纤维,DOE还向陶氏化学公司、美国橡树岭国家实验室以及福特汽车公司长期提供研究经费援助。

2、美国橡树岭国家实验室

美国能源部(DOE)与田纳西大学拜特尔有限责任公司(UT-Battelle LLC,后文简称“UT-B”)签署基本合同,委托后者管理和运营橡树岭国家实验室(ORNL)。目前,UT-B正在寻求商业合作伙伴,并授权其对一种新型碳纤生产方法的使用。这是一种以市售的廉价的纺织级丙烯酸纤维前驱体材料为原材料,生产工业级结构碳纤维和阻燃碳纤维的工艺。ORNL技术转移办公室负责对参与申请公司的遴选和执照的颁发工作。

ORNL对新型碳纤维生产方式和已经公开的传统碳纤生产方式进行了详细的分析,考查了九大主要的生产工序,从开始的前驱体和预处理,以及最后的表面处理、定型、卷曲、检查和运输等。这份分析结果显示,新的生工艺在原材料、能源和人力成本方面都有明显的降低,整体降幅可高达50%。详细的分析报告将会和将来的合伙人共享。

由ORNL生产的这种低成本碳纤的强度、拉伸模量和断裂伸长率分别突破了400ksi、40Msi和1%。这些性能很好地满足了汽车生产商用于某些耐高压部件所使用的高强度材料的标准。还有相当多的能源技术也能从中受益,包括风力涡轮机部件和气体压缩罐等。

这种碳纤的生产工艺在ORNL碳纤维技术设备中心(CFTF)发展而来。CFTF由DOE的先进制造和车辆技术中心提供资金支持,未来持有执照的合伙人将能与ORNL的研究人员一起在CFTF合作研究。

2016年初,美国橡树岭实验室(ORNL)经过多年的努力成功找到可削减50%成本的新型碳纤维制造工艺,现正寻求合适的商业合作伙伴并颁发授权执照。2016年8月29日,由美国著名前自行车职业运动员、企业家Greg LeMond投资成立的LeMond Composites公司发布了与美国橡树岭国家实验室合作成立的消息。美国橡树岭国家实验室碳纤维科技研究团队(CFTF)成员、现LeMond Composites公司首席执行官Connie Jackson和她团队中的几个成员加入了LeMond Composites公司,将这项技术推向产业化。橡树岭方面表示:“这种新工艺的开发表明了橡树岭的标志性价值观:基础研发与应用相结合;也反映了能源局对国家紧迫能源挑战的承诺。能源局在类似于CFTF等项目和设施的持续投入将使得多种应用变得可行,并促使美国在能源效率方面的进步以及在全球工业界的成功。”

3、美国国防预研局

美国国防预研局(DARPA)在2006年启动先进结构纤维项目,目的是召集全国优势科研力量,开发以碳纤维为主的下一代结构纤维。美国佐治亚理工学院作为参研机构之一,从原丝制备工艺入手,提高碳纤维弹性模量。佐治亚理工学院研究小组通过突破原丝制备工艺,在保持碳纤维高强度同时,弹性模量提升28%以上。赫氏公司的碳纤维产品30年来一直停留在中等弹性模量水平,性能难以突破。2015年7月,该研究小组利用创新的PAN基碳纤维凝胶纺丝技术,将碳纤维拉伸强度提升至5.5-5.8GPa,拉伸弹性模量达354-375GPa。虽然拉伸强度和IM7相当,但弹性模量实现了28%-36%的大幅提升。这是目前报道的碳纤维高强度和最高模量组合。其机理是凝胶把聚合物链联结在一起,产生强劲的链内力和微晶取向的定向性,保证在高弹性模量所需的较大微晶尺寸情况下,仍具备高强度。这表明美国已经具备了第三代碳纤维产品的自主研发实力。