微波烧出的碳纤维

　　对微波加热持怀疑态度的人说，这行不通——总部位于大阪的微波化学公司说，它已经做到了——并继续推进其基于模拟的技术，以减少制造业的 能源使用和排放。

　　

　　

　　

　　化学公司已将其微波加热技术应用于碳纤维生产，据报道，该公司将能源使用量减少了50%，二氧化碳减少了90%

　　

　　微波化学公司（MWCC，日本大阪）成立于2007年。该公司目前有60名员工，其使命是创新化学工业，并利用其微波技术彻底改变制造业，以“创造一个我们从未见过的世界”。

　　

　　

　　

　　微波化学公司（MWCC）已经与世界顶级化学公司（如巴斯夫（#1）、 三菱化学（#11）、住友化学（#19）、三井化学（#29））以及开创可持续材料的公司（如 Taiyo Kagaku Co.、Futamura Chemical）和 PeptiStar， 该公司生产用于治疗癌症、糖尿病、艾滋病毒和其他免疫疾病的肽类药物。

　　

　　在过去的15年里，MWCC与世界顶级化工公司以及可持续材料和工艺领域的先驱合作，证明其微波技术 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、高达90%的加热时间和高达80%的设备占地面积。

　　

　　2022年11月，MWCC宣布，其基于微波的Carbon MX技术将在生产环保碳纤维的中试生产线上进行演示。该示范设施将于2023年12月在合作伙伴三井化学（日本东京）名古屋工厂内建成。

　　

　　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CW2022巡演文章中所解释的那样，“碳纤维的生产是我们产品总体上最大的能耗步骤。我们正 在与包括Teijin（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。”

　　

　　弗劳恩霍夫环境 、 安全和能源技术研究所 (UMSICHT，Oberhausen，Germany)在2019年CW关于再生碳纤维的一篇文章中引用了这篇文章，该研究发现，生产一公吨碳纤维会排放29.45公吨二氧化碳。在最近对Hexagon Purus（挪威奥斯陆）首席执行官Morten Holum的采访中，这个问题得到了进一步的强调， 一家用于储存氢气的碳纤维复合材料压力容器的生产商：“碳纤维必须以更可持续的方式生产。我们都有 ESG （环境、社会、治理）作为一家清洁能源解决方案公司， 我们致力于尽可能实现可持续发展。在我们的产品中， 碳纤维是能源和减排方面最具挑战性的成分。作为碳纤维消费者，我们需要一种碳强度（二氧化碳排放量）显着降低、前体更可持续的产品。制造商还需要开发一种成本较低的制造方法。所有碳纤维制造商都将越来越感受到这种压力，要求其更加可持续，因为这是全球的当务之急。”

　　

　　微波化学公司的历史

　　

　　岩尾吉野(Iwao Yoshino)是微波化学公司的首席执 行官和创始人。吉野出生于大阪，大学毕业后被三井株式会社聘用。他被分配到化学品部，主要从事石化产品贸易。后来，他离开三井，在美国加州大学伯克利分校 获得MBA学位。吉野位于硅谷附近，他看到了风险投资公司如何通过将新技术商业化而产生全球影响。

　　

　　获得MBA学位后，吉野在西雅图一家支持环保和 能源初创公司的公司工作。从这些经验中，他开始制定战略，通过基于商业的解决方案影响全球能源和环境问题。

　　

　　吉野回到日本，并在2006年认识了大阪大学工程 研究生院的微波研究员Tsukahara Yasunori。他们于2007年共同创立了 MWCC，用化工厂和食品厂的废油生产生物柴油。然而，在这样一个保守的行业中，应用微波 处理等新技术并不容易被接受。MWCC意识到，它必须建造自己的微波化工厂来证明这项技术的有效性。该公 司在2014年做到了这一点，并增加了项目合作伙伴。

　　

　　15年后，MWCC于2022年6月在东京证券交易所 创业板成功完成 IPO。吉野说：“电动制造和移动据说是碳中和的关键。” “随着我们公司的微波技术平台现已成熟，重要的是我们要发展壮大，以建立能够为世界环境和能源问题提供这些解决方案的企业。”

　　

　　替代加热、碳纤维生产线

　　

　　微波加热在碳纤维制造中的潜力并不新鲜。2014年， CW报道了UHT Unitech（台湾钟离）的微波技术，与传统工艺相比，生产T800或T1000 级纤维的能量减少了30%，工艺时间减少了50%，成本降低了15-30%。

　　

　　什么是传统的碳纤维工艺？根据CW公司 2008 年 关于碳纤维制造的底漆和其他来源，该工艺从首先在富 氧环境中稳定的 PAN（聚丙烯腈）前体开始——在200- 300°C下氧化通常需要 30-120 分钟。随后的碳化可能需 要长达 30-40 分钟，但大多数较新的生产线只需要几分 钟，纤维就可以通过低温（700-800°C）和高温（1200- 1500°C）烘箱/熔炉，这两个烘箱/熔炉都充满了惰性气体（如氮气）。一条典型的生产线可以使用 4-6 个烤箱。控制放热、温度、张力和其他参数是确保高质量碳纤维 具有所需拉伸模量、强度和破坏应变的关键。

　　

　　等离子体化学是碳纤维制造的另一种节能替代品。虽然等离子体通常被认为是非常热的，比如在恒星中， 但也有冷等离子体，它可以在室温下工作。4M Carbon Fiber（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，据4M报道，与传统的热空气氧化相比，这种等离子体可以节省高达75%的能源消耗（kWh/kg纤维），并在专有的增强化学和新颖的硬件和工艺设计的帮助下将产量提高 300%。2020 年， CW 报道称，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在内的研究，以及旨在将碳纤维制造成本降低50%的新型前体。

　　

　　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——也可 以实现快速氧化，但不能通过微波或等离子体加热。相反，它添加了1到2分钟的无氧前体预稳定阶段，可以 将随后的氧化/稳定减少到15分钟，然后进行3分钟的碳化。迪肯24K纤维试验线的第三方审计证实了这种短的氧化时间，其性能与东丽（日本东京）T300 纤维相当 ——273千兆帕斯卡拉伸模量、3.5千兆帕斯卡抗拉强度和1.5%的失效应变。这些性能并没有完全达到 Toray T700S标准模量12K纤维的性能，该纤维是压力容器和 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模量（273对230千兆帕斯卡），但低于4.9千兆帕斯卡的拉伸强度和2.1%的失效应变。然而，迪肯大学和LeMond Carbon声称，每公斤输出纤维的资本支出减少了75%，能耗减少了70%。对于由模量驱动且不需要如此高的抗拉强度的应用，这是非常值得追求的。

　　

　　Carbon MX微波技术

　　

　　MWCC首席执行官吉野说：“我们在氧化和碳化过 程中都使用微波加热。” “使用我们的Carbon MX 技术需要新的碳纤维制造设备，但与物理足迹小得多的传统 碳纤维生产线相比，其能源使用量约为50%。资本支出也小得多。”

　　

　　吉野说：“我们已经在实验室规模和我们工厂的第一条试验线上展示了这种碳纤维生产方法。” “现在， 我们正在与三井化学合作，在他们的工厂安装一条更大 的第二阶段试验线。”这条示范生产线将耗资20亿日元 （1400 万欧元）。MWCC目前无法透露其产能。请注意，这一成本几乎比 Leonardo（意大利罗马）和MAE（意大利佛罗伦萨）（PAN 前体生产线专家）建造 的碳纤维中试线低20%。这条耗资 1700 万欧元的常规 生产线位于意大利皮亚琴察，计划于2022年第二季度 开始生产，预计年产能为30公吨PAN前体和12.5公吨碳纤维，每年运营250天。

　　

　　相比之下，目前碳纤维生产的领导者东丽（日本东京）于2022年11月宣布，其欧洲部门将投资 1 亿欧元， 在其位于法国拉克的工厂建造一条新的 1000 吨/年碳纤维生产线。一个200 x 30米的新大厂房计划于2023年年中开始施工，两年后开始生产，这是新碳纤维生产上 线的典型时机。如果这个设施只需要该空间的 1/5，并且二氧化碳排放量减少 90%。