导语
一种制造碳纤维的新方法可以将炼油厂的副产品转化为用于汽车、飞机和航天器的高价值、超轻碳纤维结构材料。
碳纤维(CFs)因其重量低、模量高、强度高和化学弹性高，在航空航天、汽车和体育器材等一系列行业中都有应用价值。然而，由于与替代材料(如玻璃和塑料纤维)相比成本较高，碳纤维的应用仅限于小范围，如使用碳纤维优越的机械性能和耐热性的航空航天应用。
碳纤维的成本是铝的4 ~ 6倍，是钢的15 ~ 20倍。通过采用较便宜的初始原料和低温处理方法，可以大幅度降低成本。目前，超过96%的CFs使用聚丙烯腈(PAN)作为前体，它由一种名为丙烯腈的石化产品的聚合物纤维制成，而其余的使用沥青，它是一种源自化石燃料的粘弹性材料。沥青成本较低[煤焦油沥青（CTP），800美元/吨；石油沥青 (PP)，400 美元/吨 ] 与 PAN (2100 美元/吨至 2250 美元/吨) 作为前体材料相比，最终可能为制造 11 美元/公斤的碳纤维提供可行的途径。
此外，传统的 PAN 前体纤维加工需要一系列单元操作，包括 PAN 聚合物的有机溶液和随后的溶剂回收 。相比之下，沥青原料可以通过熔融处理来制造纤维，这样的前体加工路线需要较少的资本投资。
然而，沥青的异质性以及在使用的沥青原料中表现出这种异质性的可变性通常会导致机械性能不一致，这就需要高度依赖于沥青本身的特殊定制制造参数。
造成该过程困难和成本的一个主要因素是通常需要将沥青从各向同性转变为中间相，因为由各向同性沥青制成的碳纤维通常具有较差的力学性能。各向同性沥青是指分子组分在基体中随机取向的状态，而中间相沥青是由分子按择优取向排列组成，这使得分子在熔融状态下表现得像液晶。从本质上说，即使具有可预测性能(如弹性模量)的复杂制造过程，也需要识别在制造过程中沥青的性能如何影响最终的CFs，从而改进低成本、高性能CFs的加工路线。
近日，来自麻省理工学院、怀俄明州西部研究所和田纳西州橡树岭国家实验室的相关研究人想出了一种方法，从一种超廉价的原料中提炼出轻质纤维：这种原料是石油炼制过程中产生的重而粘稠的废料，如今炼油厂为沥青等低价值应用提供这种材料，或者最终将其作为废物处理。
这种新型碳纤维不仅制造成本低，而且比传统碳纤维材料具有优势，因为它具有抗压强度，这意味着它可以用于承重应用。相关研究成果发表在 Science Advances 上。
这项研究大约始于四年前，以响应美国能源部的要求，能源部正在寻求通过降低整体重量来提高汽车效率并减少燃料消耗的方法。“如果你现在看同款车型，与 30 年前相比，它明显更重，”研究人员Ferralis 说。“在同一类别中，汽车的重量增加了 15% 以上。”
一辆更重的汽车需要更大的发动机，更强的制动器等，所以减轻车身或其他部件的重量会产生连锁反应，从而进一步减轻重量。美国能源部正在推动轻型结构材料的发展，这些材料的安全性可以与今天的传统钢板相媲美，而且其制造成本也足够低，有可能完全替代标准车辆中的钢材。
由碳纤维制成的复合材料并不是一个新想法，但到目前为止，在汽车行业，它们只被用于几款非常昂贵的车型。这项新研究旨在通过提供一种低成本的原材料和相对简单的加工方法来扭转这种局面。
Ferralis 表示，用于汽车使用的优质碳纤维目前的价格至少为每磅10到12美元，如用于航天器组件等特殊用途的碳纤维，每磅价格可达数百美元。相比之下，钢铁的价格约为每磅75美分，铝的价格为每磅2美元。他说，按照这个价格，用碳纤维取代钢铁制造一辆皮卡的成本大约会增加一倍。
这些纤维通常由衍生自石油的聚合物（如聚丙烯腈）制成，但使用成本高昂的中间步骤来聚合碳化合物，这种聚合物的成本占最终纤维总成本的 60% 以上。该团队的新方法不是从使用精炼和加工过的石油产品开始，而是使用提炼过程后留下的渣滓，一种称为石油沥青的材料。“这就是我们有时所说的桶底，”Ferralis 说。
图2. 沥青前体分子
选定的一组受实验启发的分子化合物，用作代表音高的初始组。（一）CTP：p-CTP的简化分子集合，分组为较小（由蓝色虚线区域包围）和较大分子（由红色虚线区域包围）的子集。( B ) PP：PP 集合由二聚体、三聚体和四聚体组成。
与橡树岭国家实验室的研究人员合作，他们在从实验室规模一直到中试工厂规模的各种条件下制造碳纤维方面拥有专业知识，该团队着手寻找方法来预测性能指导这些制造实验的条件选择。
“无论是在能源需求方面，还是在你需要进行的实际加工方面，用沥青制造碳纤维的过程实际上是极其简单的，”Ferralis 说。
Jana解释说，沥青是“由这些非均质分子组成的，如果你改变形状或大小，性质就可能会发生戏剧性的变化”，而工业材料需要具有非常一致的性质。
通过仔细模拟组成分子之间的键形成和交联方式，Jana 能够开发出一种方法来预测给定的一组加工条件将如何影响最终的纤维性能。“我们能够以如此惊人的准确性重现结果，”她说，“以至于公司可以利用这些图表预测”纤维的密度和弹性模量等特征。
这项工作产生的结果表明，通过调整起始条件，碳纤维不仅可以像大多数此类纤维一样具有很强的张力，而且还具有很强的压缩性，这意味着它们可以潜在地用于承重应用。他们说，这为这些材料的用途开辟了全新的可能性。
美国能源部呼吁将轻质材料的成本降低到每磅5美元以下，但麻省理工学院的研究小组估计，他们的方法可以做得更好，达到每磅3美元左右，尽管他们尚未进行详细的经济研究分析。
“我们正在开发的新路线不仅仅是成本效应，”Ferralis 说。“它可能会开辟新的应用，而且不一定是车辆。” 制造传统纤维复合材料的部分复杂性在于，必须将纤维制成布料并以精确、详细的图案布置。他说，这样做的原因“是为了弥补抗压强度的不足。” 他说，克服材料的缺陷是一个工程问题，但有了新工艺，就不需要额外的复杂性了。
相关文献信息：
Atoms to fibers: Identifying novel processing methods in the synthesis of pitch-based carbon fibers. Asmita Jana, Taishan Zhu, Yanming Wang , Jeramie J. Adams, Logan T. Kearney, Amit K. Naskar, Jeffrey C. Grossman, Nicola Ferralis* SCIENCE ADVANCES • 18 Mar 2022 • Vol 8, Issue 11 • DOI: 10.1126/sciadv.abn1905
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