CSIRO是澳大利亞的科學機構，目前正在開發新一代碳纖維，特別是科學家正在努力控制聚丙烯腈（Pan）前體的分子結構和制造工藝，以確保更好的質量，更便宜的價格和更好的碳纖維性能。” 他的理論強度只有其理論強度的百分之十。“ CSIRO團隊的碳纖維負責人Andrew Abbott。”強度的主要限制因素是表面缺陷和纖維的微觀結構，以及前體中的污染。”“因此，控制前體的結構可以提高碳纖維的強度，”他解釋說。CSIRO計量計劃負責人Tony Pierlot。

SIROPAN前驅體旨在利用RAFT 聚合、FLOW工藝和新的計量方法，通過加強控制來將碳纖維的性能提高20%以上。

包括氧化和碳化，Carbon Nexus專注于碳纖維生產的后步驟，而CSIRO專注于碳纖維生產的步，包括PAN前驅體的聚合與紡絲。將他們結合在一起，意味著吉朗正在對整個碳纖維工藝鏈進行革新。

該碳纖維團隊組合了CSIRO的高分子化學和紡織技術專業知識。

CSIRO與迪肯大學的Carbon Nexus設施（該設施于2013年推出了其碳化生產線）合作，2017年推出了自己的濕法紡絲生產線，用于生產PAN原絲。

CSIRO和Carbon Nexus都是迪肯大學位于吉朗（墨爾本西南約75公里）的Waurn Ponds校區的一部分。

這些組織正在與作為吉朗先進纖維集群一部分的當地復合材料行業展開合作，包括知名的復合材料制造商。

Abbott解釋說：“ CSIRO的研究集中在碳纖維生產的步，包括從丙烯腈合成聚丙烯腈，然后進行紡絲和進一步加工以獲得更高質量和更便宜的前體纖維。” Pan生產工藝占碳纖維成本的50％，但是 規定了效率為70％的碳纖維的效率為90％。“迪肯的技術涵蓋了碳纖維生產的終步驟，包括氧化和碳化。”“檸檬復合材料的許可技術（美國田納西州橡樹嶺） 氧化以減少這些下游生產步驟的成本，“

為實現其開發下一代碳纖維的目標，CSIRO正在使用一套戰略工具，包括：RAFT 聚合、FLOW化學工藝和CarbonSPEc計量方法。

 

 “我們的目標是，生產一種強度提高了20%的航空級別的碳纖維。”Abbott表示，該團隊希望到2020年底有一些初步結果。 

 

濕法紡絲試驗生產線

 

為了完成有關碳纖維前軀體的必要研究，CSIRO先必須建成自己的濕法紡絲生產線。

 

 “上只有少數的制造商能生產碳纖維，且每一家都有自己的技術機密和配方。”CSIRO的總裁Larry Marshall博士在2017年新的生產線啟動儀式上如是說。這條試驗生產線由專業生產聚合物和纖維加工設備的機器制造商MAE公司（意大利Fiorenzuola d'Arda）為其訂制。“它被設計成像一條商用的生產線，但規模較小。”Abbott解釋道。

 

CSIRO在自己的線上主頁用“做意大利面”來描述這條生產線的工作原理。

 

就像做意大利面的面團，名為dope的聚合物溶液被用于紡制PAN原絲：好比是將面團揉好，然后壓制使其通過模頭，制成細長的意大利面條。Dope經混合、凝固后，通過多孔的噴絲板以進行紡絲，從而生產出500～12000股不同的PAN纖維，所有這些纖維比人的頭發絲還細。在進行纏繞從而進入Carbon Nexus的碳化生產線之前，這些纖維會得到清洗、在輥筒上拉伸、在一系列溶液中穩定，然后是蒸干。

 

 “我們花了很長時間才完全理解了如何制造碳纖維及其前體原料。”Abbott說道，“沒有人真的想幫助我們，所以我們只能自己學習。然而，現在我們已經完全控制了前驅體的制備過程，這是關鍵，然后我們使用碳鏈進行碳化。”

 

RAFT聚合

 

可以更好地控制聚合，包括聚合物的大小，組成和結構，它在聚合物主鏈中使用反應性端基來增強功能和復雜結構，例如接枝聚合物，星形聚合物和梯度

 

CSIRO使用的另一個工具是技術和商業化的RAFT技術。

 

它是受控自由基聚合的一種復雜形式，可以完成合成聚合物的合成，并且對組成和結構進行空前的控制。

 

從新的藥物輸送系統到工業潤滑劑和涂料，CSIRO的碳纖維團隊都使用traft來控制全聚合。

 

CSIRO聚合物化學團隊負責人Melissa Skidmore表示：“從單體到聚合物的常規聚合反應會產生廣泛的多分散性，或者聚合物鏈的長度不同。但是，如果添加筏試劑，我們現在可以得到幾乎相同長度的聚合物鏈。因此，我們仍然使用相同的引發劑，單體和溶劑，但使用的是木筏。

 

斯基德莫爾說：“分子量會影響紡絲溶液的粘度。”“傳統上，藥物溶液中較高的分子量會在前體纖維的表面形成溝槽。”添加木筏會降低溶液的粘度，從而導致較高的永久載荷。從中除去高分子量聚合物聚合物可以改善纖維的分子排列并改善纖維的性能。她補充說，低分子量可塑化纖維。“木筏生產的髖臼聚合物可以生產出密度更高，更均勻的前體纖維，且設計缺陷更少，這也有助于加速碳化和降低碳化度。費用。”

 

Skidmore說：``它還使我們能夠訪問復雜的聚合物結構。筏可以對聚合物基團進行進一步的化學處理。一個很好的例子是將藥物溶液處理并濃縮成纖維之后。聚合物溶液的理想性能和固化條件之間存在微妙的平衡。“她補充說：”該聚合物為95％潘（pan）和5％添加劑。由于筏聚合物的不同性能，我們認為我們可以減少一些傳統的添加劑，并將較高百分比的纖維轉變為高固含量的纖維以減少瑕疵。我們對其進行了測試，盡管仍在繼續進行。科學家在復合材料表面添加二氧化碳很有趣，探索如何生產具有高二氧化碳吸附能力的復合材料仍然很有趣，多功能復合材料受到飛機和電動汽車制造商的青睞，因此，具有附加功能的新型髖臼和碳纖維可能變得很重要。自動化解決方案適用于未來的復合材料行業。

 

連續流程

 

“有了RAFT，我們就可以控制聚合。”“但是有了流動，我們就可以更好地控制纖維的形成，”雅培說。

 

分批和流聚合反應器的實例

 

該流將聚合轉化為連續過程，而不是分批過程。

 

Abbott和Skidmore解釋說，盡管目前的間歇式反應器已經成熟，不僅易于安裝，而且還可以有效地混合和監控反應動力學，但所需容量要大于連續過程反應器的容量，這意味著在工業規模上建造間歇式反應器這種反應堆價格昂貴，而且這些大批量反應器占用空間和能源消耗，而且效率低下。

 

與間歇過程相比，連續反應器更小，更便宜，易于擴展，更節能，并且可以提供出色的過程控制和更好的重現性。

 

由于它是一條獨立的連續生產線，因此在不同參數和產品之間切換時沒有靈活性。

 

此外，在安全性和耐用性方面也有好處。

 

“目前，PAN的生產在生態上是不可持續的，特別是在毒性方面。”“要不斷提高聚合過程的安全性，將有毒，有氣味和易燃的試劑需要隔離并用自動裝置進行處理，但這將增加生產線的復雜性，并需要更高的監控水平，“斯基德莫爾說

 

盡管仍有進一步發展的空間，但雅培認為流聚合技術是積極有效的：“碳纖維本身是可變的，因此可以采取一切措施來減少可變性以提高性能。”

 

Karbonspec：管理措施

 

CSIRO的碳纖維方法的終工具是carbonspec。“它是我們作為計量學開發的，可以測試我們生產的纖維以更好地了解功能材料之間的關系。”“如果無法測量，就無法改進。”

 

強度提高20%的下一代碳纖維

 

“我們已經加強了我們對如何將聚合物轉化為纖維的理解，現在正在生產商用纖維。”Abbott說，“我們正在將這些技術工具應用于其他前體聚合物以制造SIROPAN，這是使用RAFT技術的CSIRO版本的PAN，現在我們能按公斤生產這種纖維。”

 

 “下一步是評估使用RAFT聚合物的好處。”他繼續說，“我們還在生產PAN，但我們在降低黏度的同時能更好地控制分子量并增加它，這樣才能生產出更強的碳纖維。”

 

有多強？

 

 “還不確定，但我們的目標是強20%。”Abbott說，“我們知道，強10% 不足以使改變前驅體成為經濟上可行的一項改進措施，因此強20%是必要的。”

 

1. 利用RAFT技術開發新型前體聚合物（聚合物或不同的性質）。

 

 2. 開發具有商業競爭力的聚合物工藝（FLOW）。

 

3. 了解聚合物轉化為纖維（濕法紡絲）以降低成本和提高性能。

 

4. 了解前驅體性能對碳纖維性能的影響，更好地預測碳纖維的性能，根據這些測量和預測優化流程（CarbonSpec）。

 

5. 通過工程化PAN和碳化纖維，生產適合特殊終端應用的訂制碳纖維。

 

 “碳纖維行業正以每年10%的速度增長。”Abbott說，“我們希望與那些對改善碳纖維的質量、性能、成本和可持續性感興趣的成熟的和新的行業參與者展開合作。”

 

 “我們正在測試6種不同的前體配方并將在Carbon Nexus對它們進行碳化。” Skidmore補充道，“我們希望今年年底能有結果。從RAFT聚合物到白色纖維然后再通過碳化需要一段時間。”

 

這項研究獲得了科學和工業捐贈基金的資助。