新技术丨美国怀俄明州和犹他州尝试使用煤炭制备沥青基碳纤维
摘要
本文讨论了利用煤炭作为原材料生产沥青基碳纤维的研究和尝试。自20世纪60年代以来，多家企业进行了相关探索。美国西部研究所和怀俄明州的公司通过不同方法从煤中提炼碳纤维原丝，目标是制备低成本、高质量的碳纤维，以满足汽车行业等应用需求。研究表明，使用低成本煤炭生产的沥青基碳纤维性能可满足特定行业需求，且价格可控。犹他州立大学的科学家团队也开展了类似的研究项目，旨在开发低成本、低排放的制备技术，并探索其市场潜力。这些尝试不仅有助于煤炭行业的振兴，也寻求为不同应用领域提供定制化的碳纤维材料。
正文
以煤作为原材料生产沥青基碳纤维，并不是十分新鲜的尝试。自上世纪60年代以来，包括三菱化学、日本石墨纤维公司在内的诸多企业都进行了相关的研究和探索。
怀俄明州（Wyoming）的尝试 
作为生产碳纤维所用的原丝，煤和已被广泛接受的聚丙烯腈（PAN）有明显差异。美国西部研究所（Western Research Institute）总裁Don Collins表示说，煤当中包含30%的水、各类重金属和矿物质，碳元素也以五花八门的形式存在其中，“煤炭当中含有成千上万种分子结构，分子重量和处理的难易程度各有不同。”他表示要想从煤中提炼液态的碳纤维原丝，可采用如下办法：标准热解法、气化转液化法、或是溶剂提取法（加热加压条件下）。
沥青首先是各项同性的，通过进一步热处理和萃取能够转化为各项异性或者中间相的沥青（碳原子排列更加有序）。
目前已投入商业使用的煤-沥青基碳纤维，都是从品质较高的冶炼用焦煤中提取的，因为杂质含量少，所以生产出的碳纤维品质更高。Wyoming iPark公司研发主任Charlie Atkins表示说。Atkins所在的公司与矿业公司Romaco Carbon LLC以及若干复合材料企业共同参与了一项由美国国家能源部资助、总投资600万美元的项目。该项目的目标是以多种低成本原料制备碳纤维原丝，并对结果进行分析、比较、甄别和优选，这其中包括产自怀俄明州的非精炼煤（Non-Coking Coal）。
沥青并不是他们唯一考虑的途径，利用同样富含碳元素的生物质（例如糖）替代PAN基原丝同样也在考虑范围内。
如果使用冶炼用焦煤，使用成本大约在每吨200美元；而如果采用Romoca矿业公司提供的煤，成本只需要不到每吨10美元。Collins透露称，项目参与者WRI公司已经开发出一种专利技术WRITECoal。
该技术将加热过程切分为若干阶段，煤中的水分先被回收再利用；当温度升高到摄氏176度时，开始回收汞、砷、硒等气化了的元素；当温度达到摄氏315度，重金属元素被分离出来，最后剩下的就是焦油和沥青，进过进一步加热可以液化。Collins表示说，实验的目标是获得中间相原丝，当然项目组也会对副产品焦油等加以利用。“经过过滤和萃取，我们获得了碳纤维原丝。它不会100%是中间相，而是一种各项同性和中间相的混合物。我们将据此进行更深一步的研究。”
随后，Ramaco矿业公司和WRI公司将获得的原丝送往橡树岭国家实验室（ORNL），在那里将原丝转化为碳纤维。同时，Advanced Carbon Products LLC公司拥有一条制备中间相沥青基纤维原丝的试验线，制备成本大约在每磅1.5美元。它也会将原丝送往ORNL进行质量检测和纤维转化。
“我们的目标并不仅仅是想证明，煤可以作为制备低成本碳纤维的原材料来源；我们希望能更清楚的了解它们的分子结构，能够挑选出最合适的原丝配方”。我们的目标是为汽车行业提供尽可能全面的、更加具有针对性的碳纤维制备解决方案。
Advanced Carbon Products LCC公司首席执行官兼市场销售副总裁Chris Boyer补充说：“沥青基碳纤维的性能足以满足汽车行业的需求（弹性强度250-300Ksi，弹性模量25-50 Msi），其价格也可控制在可接受的每磅5美元之内。”
犹他州（Utah）的尝试
除此以外，来自犹他州立大学的科学家团队也进行了类似的尝试。他们于2016年10月发起了一个投资160万美元、为期三年的研究项目，目标是研发低成本、低排放的煤-沥青基碳纤维制备技术、评估其市场前景，同时振兴犹他州的煤炭行业。该项目由化学工程教授Eric Eddings领导，受美国商务经济促进局资助，同时受犹他州先进材料制备动议法案的资助。
“目前设备已经到位，过去数月中我们一直在制备沥青。”Eddings解释说，“纺丝和碳化将在肯塔基大学进行，由碳材料应用能源技术中心副主任Matthew Weisenberger领导完成。”研究团队将在不同条件下进行实验，以便确定沥青基碳纤维生产的最佳参数。不久前，利用犹他州自产煤炭生产的首批沥青基碳纤维刚刚制备成功。
用低成本煤炭制备出的“最理想”的沥青基材料究竟是哪一种呢？Eddings解释说：“那完全取决于其应用领域。航空航天级别很显然对纤维级别要求最高，因此也最为昂贵；汽车行业的话，则要进一步考虑是用在什么部件的生产上。我们希望为每一种特定的应用开发专属的碳纤维材料。”对于非航空航天应用领域而言，沥青精炼的步骤可以简化甚至省略。Eddings表示说，项目团队目前正在对中间相沥青和各项同性沥青的性能做对比研究，以便找到各自适用的应用领域。整体而言，各向同性的沥青因为成本更加低廉，可能拥有更宽泛的应用前景。
“我们希望能找到比PAN基碳纤维成本更低、而且强度/模量满足要求的碳纤维制备方法。”Eddings总结说，犹他州的煤炭行业急于找到新的应用方向，煤-沥青基碳纤维会是个不错的选择。
来源：中国国际复合材料展览会
