3月10日，Composites World網站發布了《Microwave heating for more sustainable carbon fiber》一文，詳細介紹了用于碳纖維工業的微波技術，本文主要以此文為背景，對其部分內容進行了刪減、部分章節進行了調整。
Microwave Chemical Co. 已將其微波加熱技術應用于碳纖維生產，據報道可將能源使用量減少 50%，將二氧化碳排放量減少 90%。圖片來源：MWCC
Microwave Chemical Co.（MWCC，日本大阪）成立于 2007 年，目前擁有 60 名員工，其使命是利用其微波技術創新化學工業和制造革命，“創造我們從未見過的世界”。
在過去的 15 年里，MWCC 與世界頂級化學公司和可持續材料和工藝的先驅合作，過程證明，與目前基于化石燃料的工業系統相比，其微波技術可減少高達 70% 的能源使用，減少高達 90% 的加熱時間和高達 80% 的設備占地面積。
Iwao Yoshino是MWCC公司的首席執行官和創始人。他出生于大阪，大學畢業后受雇于三井物產公司，并被分配到化工部門，主要從事石化產品貿易。后來離開了三井，在美國加州大學伯克利分校獲得了MBA學位。此后，他在西雅圖一家支持環境和能源初創企業的公司工作。從這些經驗中，他開始制定一項戰略，通過基于業務的解決方案來影響全球能源和環境問題。
回到日本后，他于2006年結識了大阪大學工程研究生院的微波研究人員冢原康之，他們于2007年共同創立了MWCC，以利用化工廠和食品廠的廢油生產生物柴油。然而，在這樣一個保守的行業中，應用微波處理等新技術并不容易被接受。MWCC意識到，它必須建立自己的微波化技術工廠，以證明該技術有效。該公司在2014年做到了這一點，并增加了項目合作伙伴。經過15年的努力，MWCC于2022年6月在東京證券交易所創業板成功完成IPO。
2022年11月，MWCC宣布其基于微波的Carbon-MX?技術將在一條生產環保碳纖維的試驗生產線中進行演示。該示范設施將于2023年12月在合作伙伴三井化學的名古屋工廠內建成。
關于Carbon-MX?技術，Iawo Yoshino表示，通過在預氧化和碳化過程采用微波加熱，與傳統碳纖維生產線相比，其能耗僅約為50%。公司已經在實驗室規模和其公司工廠的第一條試驗線中演示了這種碳纖維生產方法?，F在，正在與三井化學公司合作，在其工廠安裝一條更大的第二階段試驗生產線。這條示范生產線將耗資20億日元（1400萬歐元），但目前無法披露其產能。
但是值得注意的是，上述成本幾乎比意大利Leonardo和MAE（PAN原絲生產線專家）建造的碳纖維試驗線低20%。位于意大利皮亞琴察的一條的常規生產線大概耗資1700萬歐元，計劃于2022年第2季度開始生產，根據每年250天的運行情況，預計年產能為30噸PAN前體和12.5噸碳纖維。
相比之下，目前碳纖維生產的領導者日本東麗于2022年11月宣布，其歐洲分部將投資1億歐元，在其位于法國拉克的工廠新建一條1000噸/年的碳纖維生產線。新的200×30米大廳計劃于2023年年中開始建設，兩年后開始生產，這是新碳纖維生產上線所需的典型周期。
微波是一種低能量電磁波，波長在0.001–0.3米范圍內，頻率在1000–300000兆赫之間。實驗室和家用設備通常使用2450兆赫（12.2厘米波長）的微波。
與所有電磁波一樣，微波以光速傳播，并由兩個垂直的振蕩場組成:電場和磁場。微波加熱主要是由于偶極旋轉（分子來回旋轉）和離子傳導（自由離子在空間中移動）產生的電場，因為偶極和離子試圖與振蕩場對齊。旋轉分子和移動離子的摩擦產生熱量。材料的極性和離子性（導電性）越高，微波產生熱量的速率越高。由于微波直接與材料的分子相互作用，能量傳遞比傳統加熱技術更有效。傳統的加熱通常包括爐子或加熱的流體（油、水、空氣），以通過傳導或對流將熱量傳遞到材料。這是一種緩慢而低效的方法，不同的熱導率使溫度控制變得復雜，并延長了達到熱平衡的時間。
使用微波意味著不再首先加熱2D表面然后通過傳導或對流傳遞能量，它可以將微波能量直接注入每個分子，將2D加熱轉變為3D加熱。因此，材料通過微波吸收直接加熱，而不需要加熱整個爐或流體，這節省了時間和能量。像感應加熱一樣，微波加熱也可以加熱整個體積的材料。這種快速、幾乎立即的體積加熱（如果保持均勻）可以實現更高的化學產量和更低的能耗。雖然感應加熱和微波加熱的吸引力相似，但過程卻截然不同。感應被認為是一種間接過程，因為它使用電磁場在導電或半導電材料中感應渦流，然后產生熱量。微波直接在分子中產生動力運動以產生熱量。另一個不同之處在于，微波也可以用于達到冷凍溫度（低至-100°C）并且已經用于工業冷凍和冷凍干燥過程。
微波加熱在碳纖維制造中所具有的潛力并不新鮮。早在2014年，UHT Unitech公司采用微波技術生產T800或T1000級碳纖維，與傳統工藝相比，能耗降低30%，加工時間減少50%，成本降低15-30%。什么是傳統的碳纖維工藝？碳纖維的制備從在富氧環境中的聚丙烯腈（PAN）原絲的熱穩定化開始，通常在200-300°C下氧化30-120分鐘。隨后的碳化可能需要30-40分鐘，但大多數較新的生產線只需要幾分鐘，纖維就可以通過低溫炭化爐（700-800°C）和高溫炭化爐（1200-1500°C），爐內都充滿惰性氣體（例如氮氣）。典型的生產線可以使用4-6個加熱區?？刂品艧帷囟?、張力和其他參數是確保高質量碳纖維具有理想拉伸模量、強度和破壞應變的關鍵。等離子化學是碳纖維制造的另一種節能替代方法。雖然等離子體通常被認為非常熱的，但也有冷等離子體，可以在室溫下工作。美國4M Carbon Fiber公司在其等離子體氧化技術中使用的正是這種等離子體，據報道，與傳統的熱空氣氧化相比，利用該技術可以節省高達75%的能耗（kWh/kg纖維），并通過專有的增強化學和新穎的硬件和工藝設計將產量提高300%。2020年，沙特阿美技術公司也開展了相關研究，包括微波和等離子體加熱以及旨在將碳纖維制造成本降低50%的新型前驅體。由澳大利亞迪肯大學（Deakin University）開發的專利技術也實現了快速氧化，但不是通過微波或等離子加熱，相反，它增加了1至2分鐘的無氧前驅體預穩定階段，可將隨后的預氧化時間減少至15分鐘，然后進行3分鐘的碳化。目前，該項技術已經授權給美國橡樹嶺的LeMond Carbon。迪肯大學24K碳纖維試驗線的第三方審計已證實，這種大幅縮短的氧化時間可與東麗T300纖維的性能相媲美，其拉伸模量為273GPa，拉伸強度為3.5GPa，斷裂應變為1.5%。該性能還不能完全達到東麗T700S標準模量12K纖維的性能，后者是壓力容器和一些航空航天應用的基準材料。更準確地說，迪肯大學的快速預氧化纖維超過T700S模量（273GPa高于T700s的230GPa），但低于T700S碳纖維4.9GPa的拉伸強度和2.1%的斷裂應變。然而，迪肯大學和LeMond Carbon聲稱，每公斤生產纖維的成本減少了75%，能耗減少了70%。與使用熱傳導或熱對流的傳統加熱方法不同，微波加熱能夠實現材料選擇性和快速加熱，并有望成為實現電氣化和節能工業過程的關鍵技術。盡管自20世紀70年代以來，微波工藝一直在工業上使用，但工業微波加熱系統的全球銷售額可能不到1億美元，而家用微波爐的銷售額在15億至20億美元之間。大多數工程師并不熟悉微波加熱機制，因此它們代表著與傳統系統的根本背離。此外，還存在一些其他問題。因為微波是波，它們很難控制。工業界普遍認為微波技術無法從實驗室系統中擴大規模。微波加熱生產線的設計還涉及多個相互關聯的變量，例如微波生產磁控管的設計和工藝容器/反應器的設計，以及被加熱材料中微波吸收和反射的控制。在了解了微波技術瓶頸之后，那么，MWCC公司是如何克服這些挑戰的呢？Iawo Yoshino介紹說：“我們已經開發了一個數據庫，其中包括每個分子的微波吸收率。它建立了一種周期表，不是基于化學特性，而是基于物理特性，特別是電磁和介電性能?！?/p>
Iawo Yoshino解釋道：“微波是電磁的。每個分子都有一個獨特的吸收率，這種吸收率隨電磁波長的不同而不同，也隨溫度的變化而變化。我們利用這些信息來完成模擬。我們設計了化學反應，以便可以將微波能量射向特定的材料?！?/section>
“我們也利用這些信息來設計反應堆。通常，對于工業化學過程，你需要加熱整個反應器容器。但我們設計了反應器，以便可以選擇加熱的對象。例如，我們可以針對反應物、溶劑或催化劑。使用這些技術，我們可以控制反應?！?/section>“這種方法需要大量的計算機分析和模擬，”他繼續說道?！拔覀冇幸慌_超級計算機來進行這一模擬，這有助于我們為正在使用的每種材料和工藝定義最佳能量分布。我們不僅完成了電磁行為模擬，還將其與流體分析模擬相結合?！?/section>
這就是為什么過去使用微波加熱生產碳纖維的嘗試失敗了嗎？Iawo Yoshino表示：“我們聽說，某些碳纖維公司只能在實驗室使用微波加熱工藝，無法有效地將其擴展到工業系統。我能理解這一點，因為在使用微波加熱時，對過程的控制非常困難。你需要物理方法和模擬來開發控制。我不知道有多少化工公司有這樣的背景?！?/section>Iawo Yoshino表示：雖然很難，但直接微波加熱的控制比間接感應加熱要好。他重申：“我們正在將能量直接注入分子中。我們控制能量輸入和溫度，例如，這使我們能夠通過高質量碳纖維所需的工藝控制精確PAN前驅體的氧化和碳化。”MWCC公司有一個廣泛的應用目標，可以從其技術中受益：塑料的化學回收、熱解回收、電池用稀土金屬的精煉、甲烷制氫以及石墨烯等碳基納米材料的生產。該公司專門特別瞄準可持續性和高增長應用。為了實現這些目標，MWCC開發了一個基礎設施，包括測試實驗室和一個大型加工廠，在其大阪總部提供演示平臺。它還建立了一個跨學科專家團隊，從設計/概念到驗證、演示、擴大規模、商業安裝和制造，為客戶提供支持。MWCC有越來越多的應用程序，它已經完成或正在與56家公司合作進行85個項目。PlaWave是一種基于微波的塑料分解技術，與三菱化學合作開發，用于家庭用品和車輛中聚氨酯泡沫的化學回收，其目標是在將分解速度提高200%的同時實現70%的能耗減少，計劃于2023年進行小規模示范，2024年進行大規模示范，2026年實現商業化。MWCC還與住友化學一起致力于從甲烷中生產氫氣。在2022年成功演示了實驗室規模的工藝后，將于2023年在MWCC建造一條試驗線，目標是到2026年實現商業化。關于MWCC技術在復合材料其他工藝中的應用，目前用于回收碳纖維復合材料的熱解似乎可以從減少的能源使用中大大受益。微波加熱對復合預浸料的固化也進行了研究。由英國GKN航空航天公司研究結果顯示：微波技術依賴于體積加熱，熱能可以在整個零件中以電磁方式相對均勻且快速地傳遞，而不是以熱通量的形式傳遞；這可以實現更好的工藝溫度控制和更少的總能量使用，并縮短固化周期；它還使處理器能夠將熱量專門引向待固化的零件，從而最大限度地提高提高固化工藝效率。”在一次使用三種高壓釜（OOA）預浸料系統的試驗中，GKN在德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）開發的直徑1.8米、長度3.0米的Hephaistos微波固化爐中固化了數個4至5毫米厚的飛機機翼襟翼加強蒙皮結構。GKN發現，微波技術消耗的能量比同類高壓釜少80%，循環時間節省40%。在180°C的零件設定點溫度和約80°C的工具溫度下，總循環時間為4.5小時。文章來源：碳纖維及復合材料技術 錢 鑫 博士
原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：微波加熱原理、瓶頸及在碳纖維加工中的應用
