English
簡體中文
5月7日，世界知識產權組織（WIPO）公開了日本東麗株式會社的一項國際專利“含有上漿劑的碳纖維束及其制造方法、碳纖維增強復合材料及壓力容器”（公開號WO/2026/094759）。
這份專屬專利技術，由東麗專為纖維纏繞成型工藝研發打造，屬于全新一代碳纖維應用技術。研發團隊從碳纖維束結構形態、浸潤劑配比方案以及整體生產流程多處著手完成系統性優化革新，順利達成高耐磨性能、結構形態穩定、樹脂浸潤效果出眾三大關鍵優勢同步兼備。
此番技術革新，有效化解了高壓儲氫罐行業長久以來存在的纖維起毛、壁厚偏差、樹脂浸潤不充分等行業痛點，也為70兆帕高壓儲氫罐實現量產落地與市場化普及，掃除了核心技術層面的阻礙。
1、現有技術致命缺陷與行業痛點
1）纖維纏繞成型工藝的矛盾
纖維纏繞成型工藝是高壓容器主流且實用的核心制備方式，該工藝對原材料有著極高標準。碳纖維絲束在高速穿行各類導向輥與定位桿件的過程中，一方面需要具備出色的聚攏規整效果，從根源減少絲束起毛現象；另一方面還需擁有良好的分散延展能力，保障樹脂可以均勻浸透。二者本身存在難以調和的制衡關系：
集束性過強→纖維束過硬→開纖困難→樹脂含浸不良→內部孔隙
集束性過弱→纖維束過軟→容易扭曲→厚度不均→層間間隙
2）傳統技術的局限性
目前行業內各類改良辦法都存在明顯短板：
調整浸潤劑配比，依靠加入潤滑成分減小摩擦阻力，卻會削弱碳纖維和樹脂之間的界面粘合強度，直接造成復合材料整體強度下滑，降幅大致在10-15%。
采用機械方式將絲束壓扁延展來提升分散效果，經過扁平化處理的纖維束在實際纏繞作業中極易發生形變扭曲，成品厚度差異率能達到15%以上。
運用電解氧化等表面改性手段優化纖維表面特性，不僅后續加工流程繁瑣，會讓整體生產開支增加兩到三成，還會造成碳纖維本體強度出現5-8%的損耗。
相關專利內容也曾提及，當下各類傳統技術手段都只能針對性改善某一項問題，沒辦法同時兼顧耐磨性能、結構穩定性能與樹脂浸潤效果。即便順利達成理想成型狀態，也難以繼續提升制品綜合力學表現；若是單純提升碳纖維自身強度，又難以把控實際加工成型環節的成品品質穩定性。
二、破局思路
東麗此次推出的專利技術核心研發思路十分清晰，產品主要面向高壓承壓容器領域進行適配研發。團隊圍繞纖維纏繞成型工藝對碳絲束在外形結構、界面結合以及實際加工層面提出的各項使用標準，逆向敲定碳纖維束的整體設計參數，再順著生產鏈路完善全套制備流程，率先完成碳纖維自身性能與實際加工工藝需求的一體化協同研發設計。
依托這一研發邏輯，該專利正式把工藝適配性納入碳纖維核心設計準則，還創新性搭建起一套相互適配、能夠精準量化的三大性能評判標準。
第一，極致均勻的扁平形態：厚度的絕對控制。專利要求上漿后碳纖維束厚度嚴格控制在0.10-0.20mm，同時厚度的變異系數（CV值）須在6.5%以下，更優可至4.3%以下。東麗指出，纖維纏繞工藝中的樹脂含浸性高度依賴纖維束的厚度；過厚（>0.20mm）將阻礙樹脂滲透，而過薄（<0.10mm）則易在開纖時產生間隙不均、降低含浸的情況。厚度的均勻性同樣關鍵——cv值過高意味著纖維束截面存在明顯薄弱點，即便平均厚度合格，也會在卷繞層間形成不致密的間隙，嚴重削弱cfrp層間應力傳遞。<>
第二，恰到好處的柔硬度：引入“懸垂值”量化集束性。東麗首次引入“懸垂值”（DrapeValue）作為碳纖維束硬度的工藝指標，并界定最優范圍為6-9cm。懸垂值過?。?lt;6cm），說明纖維束過軟、單絲間集束力不足，通過導輥時易發生局部彎折和捻曲；懸垂值過大（>9cm），則纖維束過硬，不僅擦過時產生大量毛羽，且含浸性能顯著惡化。該項指標的精確量化，使纖維束的集束性控制首次擺脫經驗范疇，進入數據驅動的精準設計階段。
第三，雙重樹脂體系下的關聯強度量化評估。傳統碳纖維強度的評價通常依賴單一基準樹脂（如JISR7608規定的環氧體系），但該體系的界面化學環境與實際纖維纏繞成型所用的樹脂存在顯著差異，導致“實驗室強度高，成品強度低”的困境。東麗專利的創舉在于采用“雙樹脂體系交叉驗證”：要求纖維在基準樹脂配方A下的拉伸強度達4.9-6.7GPa（更優可至6.3GPa以上），同時須在實際纖維纏繞工藝模擬樹脂（配方B）下測得的強度達5.3-6.4GPa，且兩種強度之間具有高度的關聯一致性。這種評估體系的重大意義在于打通了“纖維本征強度→復合材料強度呈現效率”之間的技術與評價鴻溝，為設計高強度、高品質的纖維纏繞成型構件提供了可量化的評判標準。
三、核心技術方案
該技術通過對十多個關鍵參數的精確控制，得到了一組能夠同時滿足三大性能要求的"參數組合"。
1）上漿劑結構設計與優化
上漿組分在碳纖維整體質量中占比僅為0.7-1.0%，卻能夠直接左右碳纖維加工適配性，同時深刻影響復合材料成品綜合性能。該專利針對上漿體系完成三大顛覆性優化升級：
摒棄環狀含氧類物質配方：市面主流傳統上漿體系普遍含有環氧基團、噁唑啉基團等環狀含氧結構物質，此類物質在實際加工工況下極易發生交聯反應，可使體系黏度上升3-5倍，大幅阻礙基體樹脂向纖維絲束內部滲透填充。本專利所用全新配方徹底剔除各類環狀含氧化合物，從根源杜絕交聯現象出現，可讓樹脂浸潤速率提升40%以上。
實現上漿體系黏度精準管控：該專利嚴格限定上漿劑在30℃環境下的黏度區間為500-1400mPa?s。設定500mPa?s黏度下限，可保障碳絲束具備合格聚攏效果，從源頭減少起毛問題；設定1400mPa?s黏度上限，可規避黏度過高阻滯樹脂滲透的問題，穩定維持優異浸潤效果。
升級完善整套上漿制備流程：此項技術采用浸涂處理+熱輥預烘+熱風終干的三段式復合上漿工藝。其一為浸涂工序，將碳纖維束充分浸入調配好的上漿液中，保障涂層附著均勻；其二采用150-170℃熱輥完成快速預干燥處理，促使上漿物質在纖維表層形成完整連續覆膜；最后在230℃溫度環境下完成熱風深度烘干，徹底脫除內部殘留溶劑。整套工藝可在碳纖維表面形成厚薄一致、平整順滑的均勻覆膜，進一步提升材料耐摩擦能力與外形結構穩定性。
2）制造工藝的精確控制
在優化絲束結構與上漿技術之外，該專利還對碳纖維全生產工藝流程完成系統性升級，重點優化了預氧化與碳化兩大核心制備環節。
兩步預氧化工藝：該技術適配單絲纖度0.58-1.20dtex、絲束根數18000-42000根的聚丙烯腈前驅體原絲，實行精細化預氧化參數管控。預氧化是實現原絲向耐高溫改性纖維轉變的核心工序，對成品碳纖維力學強度起到決定性作用。工藝采用分級氧化處理模式，先在230-250℃環境中完成初級氧化反應，助力纖維內部構筑穩固的梯形分子骨架；隨后升溫至265-285℃開展深度氧化改性。工藝創新之處在于，深度氧化階段依托紅外光譜（IR）特征峰比值實現在線實時工藝把控：當1370cm?1預氧化結構特征峰與1453cm?1殘余烯烴C=C特征峰比值處于0.70-0.75，同時和1254cm?1特征峰比值維持在0.50-0.65區間時，即為預氧化反應最優工藝狀態。借助這套數字化判定標準，有效縮小不同生產批次產品的品質偏差。
碳化工藝：在600-800℃低溫碳化區間內，工藝將拉伸延伸倍率嚴格限定在1.00-1.15狹小區間；進入1000-1600℃高溫碳化階段后，統一把控升溫速率為0.4-1.1℃/秒，實際生產優選1300-1500℃作為最佳終溫。碳化過程升溫速度過快，會讓纖維內部裂解氣體快速向外析出，極易誘發內部組織結構缺陷；倘若升溫節奏過于緩慢，則會阻礙碳網結構定向規整排布，最終制約碳纖維整體力學強度發揮。
四、技術效果
為了驗證本發明的效果，專利中提供了20個實施例和9個比較例的詳細數據。
在70MPa高壓儲氫罐爆破性能測試當中，采用該款新型碳纖維制備而成的儲氫罐體，實測爆破壓力相較于傳統材質罐體提升幅度達到27%。同時罐體呈現出安全性更佳的分層式破裂失效形式，試驗過程中并未產生碎塊四散飛濺的現象，整體使用安全性能得到全方位提升。