技术前沿·使用微波加热技术提高碳纤维的可持续性

本文摘要：（由ai生成）

日本微波化学公司（MWCC）开发了一种创新的微波加热技术，用于碳纤维生产，可大幅减少能源使用和二氧化碳排放。该技术通过直接注入微波能量实现快速加热，具有显著节能优势。MWCC的Carbon-MX技术将在三井化学名古屋工厂示范，预计2023年12月完成。该技术不仅降低碳纤维生产成本，还为其他复合材料工艺提供高效、环保解决方案，助力实现碳中和目标。

背景介绍

在过去的15年中，MWCC与世界顶尖的化学公司及可持续材料、工艺领域的先驱者合作，证明了其微波技术与当前基于化石燃料的工业系统相比，可减少高达70%的能源使用、节省高达90%的加热时间和节约高达80%的设备占地面积。

2022年11月，MWCC宣布其基于微波的 Carbon-MX技术将在一条环保碳纤维的试验生产线中进行演示。该示范设施将于2023年12月在合作伙伴Mitsui Chemicals的 （日本东京）名古屋工厂内进行。

对绿色碳纤维的需求

Carbon-MX的开发确实是及时的。正如Dowty Propellers（英国格洛斯特）高级复合材料工程师James Trevarthen在CW 2022巡访文章中讲解的那样，“碳纤维的生产是产品总体上最大的能耗步骤。我们正在与包括帝人（日本东京）在内的供应商合作，尽可能减少碳纤维对环境的影响。”

2019年CW一篇关于再生碳纤维的文章中引用了弗劳恩霍夫环境、安全和能源技术研究所（UMSICHT，德国奥伯豪森）进行的一项生命周期分析（LCA）研究发现，生产一公吨碳纤维会排放29.45公吨的二氧化碳。

微波化学有限公司的历史

(注：本节内容摘自大阪创业门户网站上的 "利用微波技术创造一个我们从未见过的世界"。) 

获得MBA学位后，吉野在西雅图一家支持环境和能源初创企业的公司工作。从这些经验中，他开始形成一项战略，通过基于商业的解决方案影响全球能源和环境问题。

吉野回到了日本，并在2006年遇到了大阪大学工程研究生院的微波研究员Yasunori Tsukahara。他们在2007年共同创立了MWCC，以从化工和食品厂的废油中生产生物柴油。然而，在这样一个保守的行业，应用微波加工等新技术并不容易被接受。MWCC意识到，它必须建立自己的微波化工厂，以证明该技术的有效性。该公司在2014年做到了这一点，并成功招纳了项目合作伙伴。

碳纤维生产线中的其他加热方法

微波加热在碳纤维制造中的潜力对业内人士来说并不新鲜。据CW2014年的报道，与传统工艺相比，永虹先进材料股份有限公司（UHT Unitech，台湾中坜）使用微波技术生产T800或T1000级纤维，能耗降低了30%，处理时间减少50%，成本降低15-30%。

什么是传统的碳纤维工艺？根据CW公司2008年关于碳纤维制造的入门资料以及其他资料，该工艺从在富氧环境中稳定的PAN（聚丙烯腈）前驱体开始，通常在在200-300℃下氧化30-120分钟。随后的碳化过程可长达30-40分钟，但大多数较新的生产线只需要几分钟的时间，让纤维通过低温（700-800℃）炉，然后是高温（1200-1500℃）炉，两个炉子都须充满惰性气体（例如氮气）。一条典型的生产线可以使用4-6个炉子。控制放热、温度、张力和其他参数是确保高质量碳纤维具有所需的拉伸模量、强度和失效应变的关键。(另请参见CW的2020年Hexcel碳纤维生产设施之旅）。

等离子体化学是碳纤维制造的另一种节能选择。虽然等离子体通常被认为是非常热的，如在恒星中，但也有冷等离子体，它可以在室温下运行。4M碳纤维公司（美国田纳西州诺克斯维尔）在其等离子体氧化技术中使用的正是这种等离子体，4M公司报告说，与传统的热空气氧化相比，它可以节省75%的能源消耗（千瓦时/公斤纤维），并将产量提高300%，这得益于专有的强化化学和新型硬件及工艺设计。2020年，CW报告，沙特阿美技术公司（沙特 阿拉 伯，达兰）将进行包括微波和等离子体加热以及新型前驱体的研究，旨在降低50%的碳纤维制造成本。

迪肯大学（澳大利亚吉隆）的专利技术--由LeMond Carbon（美国田纳西州橡树岭）授权--也实现了快速氧化，但不是通过微波或等离子加热。相反，它增加了一个1至2分钟的无氧前驱体预稳定阶段，可以将随后的氧化/稳定过程缩短到15分钟，然后是3分钟的碳化。这样短的氧化时间已经在迪肯公司试验线的第三方审计中得到证实，24K纤维的性能 可与东丽（日本东京）T300纤维相媲美--其拉伸模量为273千兆帕、拉伸强度为3.5千兆帕和断裂应变率为1.5%。但这些性能还没有达到东丽T700S标准模量12K纤维的水平，这是压力容器和一些航空航天应用的基准。更准确地说，迪肯大学的纤维超过了T700S的模量（273对230千兆帕），但还没有达到4.9千兆帕的拉伸强度和2.1%的断裂应变。然而，据迪肯大学和LeMond Carbon公司称，每公斤输出纤维的资本支出减少了75%，能耗减少了70%。对于由模量驱动的、不需要如此高抗拉强度的应用来说，这是非常值得追求的。

Carbon-MX微波技术

"我们在氧化和碳化过程中都使用微波加热，"MWCC的CEO Iawo Yoshino说。"使用我们的Carbon-MX技术需要新的碳纤维制造设备，但与传统的碳纤维生产线相比，其能源使用量大约为50%，物理占地面积小得多，资本支出也小得多"。

"我们已经在实验室和我们工厂的第一条试验线中展示了这种碳纤维生产方法，"吉野说。"现在，我们正在与三井化学公司合作，在他们的工厂中安装一条更大的、第二阶段的试验线"。这条示范生产线将花费20亿日元（1400万欧元）。MWCC目前无法透露其产能。

相比之下，目前碳纤维生产的领导者东丽（日本东京）在2022年11月宣布，其欧洲分部将投资1亿欧元，在其位于法国Lacq的工厂建设一条新的1000吨/年碳纤维生产线。一个200 x 30米的新车间计划在2023年中期开始建设，两年后开始生产，这是新碳纤维生产上线的典型周期。如果这个设施只需要1/5的空间，并减少90%的二氧化碳排放，那会怎样？

微波加热技术原理

微波是一种低能量的电磁波，波长在0.001-0.3米范围内，频率在1000-300,000兆赫之间。实验室和家用设备通常使用2450兆赫的微波（波长为12.2厘米）。

注意，介电分析（DEA）传感器测量这些行为，并用于监测树脂固化和其他过程。有关更多信息，请参阅CW知识中心的介质传感器页面：“复合材料加工传感器”。一种叫做Collo的电磁传感器还可以测量介电常数和离子粘度的主要介电财产。

直接与间接加热

由于微波直接与材料的分子相互作用，能量传递比传统加热技术更有效。传统的加热通常包括炉或加热流体（油、水、空气），以通过传导和/或对流将热量传递到材料。

这是一种缓慢而低效的方法，不同的热导率使温度控制变得复杂，并延长了达到热平衡的时间。后者是大多数预浸料固化周期包括长停留时间的原因之一。

吉野说：“使用微波能量意味着你不再依赖于加热2D表面，然后通过传导或对流传递能量。”。“我们通过将微波能量直接注入每个分子，将二维加热转变为三维加热。”

因此，材料通过微波吸收直接加热，而不加热整个炉或流体浴，这节省了时间和能量。与感应一样，微波加热也可以加热材料的整个体积。这种快速、几乎立即的体积加热（如果保持均匀）可以实现更高的化学产量和更低的能耗。

尽管感应加热和微波加热的吸引力相似，但其过程却有很大不同。感应被认为是一个间接过程，因为它使用电磁场在导电或半导电材料中诱发涡流，然后产生热量。微波直接在分子中产生动能，从而产生热量。另一个区别是，微波也可用于达到冷冻温度（低至-100），并且已经被用于工业冷冻和冻干过程。

能源转型的关键与挑战

微波加热被认为是全球从化石燃料向可再生电力过渡的一个重要工具，正如MDPI在2020年出版的《过程》杂志特刊 "微波加热和化学 "中所述：

尽管自20世纪70年代以来，微波工艺已经在工业上得到应用，但 "全世界工业微波加热系统的销售额可能不到1亿美元，而家用微波炉的销售额在15亿至20亿美元之间，"干燥专家Arun S. Mujumdar在2012年的文章《利用微波能进行工艺加热的优势》中说。他的理由是，大多数工程师对微波加热机制并不熟悉，因此它们代表着与传统系统的彻底不同，"而大多数行业普遍存在着抵 制真正创新的倾向"。

还有其他问题。"吉野说："因为微波是波，"他们很难控制。工业界流行的想法是，微波技术不能从实验室系统扩大规模"。

设计一条微波加热生产线还涉及多个相互关联的变量，例如设计产生微波的磁控管（见Chris Woodford的《磁控管》）和设计加工容器/反应器，以及控制被加热材料的微波吸收和反射。

那么MWCC是如何克服这些挑战的呢？"我们已经开发了一个数据库，包括每个分子的微波吸收率，"吉野说。他讨论的是一种周期表，不是基于化学特性，而是基于物理学--特别是电磁和介电特性。

"我们还利用这些信息来设计反应器，"吉野说。"通常情况下，对于工业化学过程，你要加热整个反应器容器。但是我们设计反应器，以便我们可以选择加热什么。例如，我们可以针对反应物、溶剂或催化剂。利用这些技术，我们可以控制反应。"

"这种方法需要大量的计算机分析和模拟，"他继续说。"我们有一台超级计算机来做这种模拟，这有助于我们为每种材料和工艺确定最佳的能量分布。我们不仅要完成电磁行为模拟，还要将其与流体分析模拟耦合起来。"

这就是过去利用微波加热生产碳纤维的尝试失败的原因吗？"我们听说某些碳纤维公司只能在实验室里使用微波加热工艺，无法有效地将其扩展到工业系统，"吉野说。"我能理解这一点，因为使用微波加热时，对过程的控制非常困难。你需要一个物理学方法和模拟来开发控制。我不确定有多少化学公司有这种背景。"

请注意，仿真也被用来理解和控制热塑性复合材料的感应焊接。。尽管困难重重，Yoshino说直接微波加热的控制比间接感应加热要好。他重申说："我们是直接将能量投入到分子中的，"。"我们控制这种能量输入以及温度，这使我们能够，例如，精确地氧化和碳化PAN前驱体，并进行高质量碳纤维所需的过程控制。"

MWCC有一个广泛的应用目标，可以从其技术中受益：塑料的化学回收、热解回收、电池用稀土金属的提炼、从甲烷中生产氢气以及生产石墨烯等碳基纳米材料。

该公司特别针对可持续性和高增长的应用。为了实现这些目标，MWCC已经开发了一个基础设施，包括测试实验室和一个大型加工厂，在其大阪总部提供一个示范平台。它还建立了一个跨学科的专家团队，以支持客户从设计/概念验证到验证、演示、放大、商业安装和制造。

MWCC还在与住友化学（日本东京）合作，从甲烷中生产氢气。在2022年成功演示了实验室规模的工艺后，2023年将在MWCC建造一条试验线，目标是在2026年实现商业化。

关于MWCC技术在复合材料其他工艺中的应用，目前用于回收碳纤维复合材料的热解技术似乎可以从减少能源使用中大大受益。微波加热已经被研究用于固化复合材料预浸料。在CW2011年的文章中-"微波技术是热压罐的替代品吗？"，GKN航空航天公司（英国怀特岛）证实：

在一项使用三种热压罐（OOA）预浸料系统的试验中，GKN公司在卡尔斯鲁厄理工学院（KIT，德国Eggenstein-Leopoldshafen）开发的直径1.8米、长3.0米的Hephaistos微波固化炉中固化了几个4至5毫米厚的飞机机翼襟翼的加硬皮结构。注意，在过去几年中，KIT已经发表了几篇关于在碳纤维生产中PAN前驱体稳定过程中使用微波加热的有趣论文。GKN公司发现，微波技术比类似的热压罐少消耗约80%的能量，周期时间节省40%。在零件设定点温度为180°C，模具温度约为80°C的情况下，总周期时间为4.5小时。微波炉中的压力约为100磅/6.89巴"。有了MWCC的数据库和最新的模拟技术，现在可能会发生什么？

回到氢气罐生产商Hexagon Purus所表达的对更便宜、更可持续的碳纤维的需求，值得注意的是，三井化学的Carbon-MX试验线就在其名古屋工厂。该工厂距离丰田的下山工厂不到30分钟车程，丰田也在那里生产用于氢气罐的IV型碳纤维增强压力容器，用于其Mirai燃料电池汽车和未来的氢气存储模块。也许吉野的改变世界的愿景确实将很快开始推进。