3月10日，Composites World网站发布了《Microwave heating for more sustainable carbon fiber》一文，详细介绍了用于碳纤维工业的微波技术，本文主要以此文为背景，对其部分内容进行了删减、部分章节进行了调整。
Microwave Chemical Co. 已将其微波加热技术应用于碳纤维生产，据报道可将能源使用量减少 50%，将二氧化碳排放量减少 90%。图片来源：MWCC
Microwave Chemical Co.（MWCC，日本大阪）成立于 2007 年，目前拥有 60 名员工，其使命是利用其微波技术创新化学工业和制造革命，“创造我们从未见过的世界”。
在过去的 15 年里，MWCC 与世界顶级化学公司和可持续材料和工艺的先驱合作，过程证明，与目前基于化石燃料的工业系统相比，其微波技术可减少高达 70% 的能源使用，减少高达 90% 的加热时间和高达 80% 的设备占地面积。
Iwao Yoshino是MWCC公司的首席执行官和创始人。他出生于大阪，大学毕业后受雇于三井物产公司，并被分配到化工部门，主要从事石化产品贸易。后来离开了三井，在美国加州大学伯克利分校获得了MBA学位。此后，他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，他开始制定一项战略，通过基于业务的解决方案来影响全球能源和环境问题。
回到日本后，他于2006年结识了大阪大学工程研究生院的微波研究人员冢原康之，他们于2007年共同创立了MWCC，以利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，它必须建立自己的微波化技术工厂，以证明该技术有效。该公司在2014年做到了这一点，并增加了项目合作伙伴。经过15年的努力，MWCC于2022年6月在东京证券交易所创业板成功完成IPO。
2022年11月，MWCC宣布其基于微波的Carbon-MX™技术将在一条生产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月在合作伙伴三井化学的名古屋工厂内建成。
关于Carbon-MX™技术，Iawo Yoshino表示，通过在预氧化和碳化过程采用微波加热，与传统碳纤维生产线相比，其能耗仅约为50%。公司已经在实验室规模和其公司工厂的第一条试验线中演示了这种碳纤维生产方法。现在，正在与三井化学公司合作，在其工厂安装一条更大的第二阶段试验生产线。这条示范生产线将耗资20亿日元（1400万欧元），但目前无法披露其产能。
但是值得注意的是，上述成本几乎比意大利Leonardo和MAE（PAN原丝生产线专家）建造的碳纤维试验线低20%。位于意大利皮亚琴察的一条的常规生产线大概耗资1700万欧元，计划于2022年第2季度开始生产，根据每年250天的运行情况，预计年产能为30吨PAN前体和12.5吨碳纤维。
相比之下，目前碳纤维生产的领导者日本东丽于2022年11月宣布，其欧洲分部将投资1亿欧元，在其位于法国拉克的工厂新建一条1000吨/年的碳纤维生产线。新的200×30米大厅计划于2023年年中开始建设，两年后开始生产，这是新碳纤维生产上线所需的典型周期。
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微波是一种低能量电磁波，波长在0.001–0.3米范围内，频率在1000–300000兆赫之间。实验室和家用设备通常使用2450兆赫（12.2厘米波长）的微波。
与所有电磁波一样，微波以光速传播，并由两个垂直的振荡场组成:电场和磁场。微波加热主要是由于偶极旋转（分子来回旋转）和离子传导（自由离子在空间中移动）产生的电场，因为偶极和离子试图与振荡场对齐。旋转分子和移动离子的摩擦产生热量。材料的极性和离子性（导电性）越高，微波产生热量的速率越高。
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子或加热的流体（油、水、空气），以通过传导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。
使用微波意味着不再首先加热2D表面然后通过传导或对流传递能量，它可以将微波能量直接注入每个分子，将2D加热转变为3D加热。因此，材料通过微波吸收直接加热，而不需要加热整个炉或流体，这节省了时间和能量。像感应加热一样，微波加热也可以加热整个体积的材料。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。
虽然感应加热和微波加热的吸引力相似，但过程却截然不同。感应被认为是一种间接过程，因为它使用电磁场在导电或半导电材料中感应涡流，然后产生热量。微波直接在分子中产生动力运动以产生热量。另一个不同之处在于，微波也可以用于达到冷冻温度（低至-100°C）并且已经用于工业冷冻和冷冻干燥过程。
微波加热在碳纤维制造中所具有的潜力并不新鲜。早在2014年，UHT Unitech公司采用微波技术生产T800或T1000级碳纤维，与传统工艺相比，能耗降低30%，加工时间减少50%，成本降低15-30%。
什么是传统的碳纤维工艺？碳纤维的制备从在富氧环境中的聚丙烯腈（PAN）原丝的热稳定化开始，通常在200-300°C下氧化30-120分钟。随后的碳化可能需要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炭化炉（700-800°C）和高温炭化炉（1200-1500°C），炉内都充满惰性气体（例如氮气）。典型的生产线可以使用4-6个加热区。控制放热、温度、张力和其他参数是确保高质量碳纤维具有理想拉伸模量、强度和破坏应变的关键。
等离子化学是碳纤维制造的另一种节能替代方法。虽然等离子体通常被认为非常热的，但也有冷等离子体，可以在室温下工作。美国4M Carbon Fiber公司在其等离子体氧化技术中使用的正是这种等离子体，据报道，与传统的热空气氧化相比，利用该技术可以节省高达75%的能耗（kWh/kg纤维），并通过专有的增强化学和新颖的硬件和工艺设计将产量提高300%。2020年，沙特阿美技术公司也开展了相关研究，包括微波和等离子体加热以及旨在将碳纤维制造成本降低50%的新型前驱体。
由澳大利亚迪肯大学（Deakin University）开发的专利技术也实现了快速氧化，但不是通过微波或等离子加热，相反，它增加了1至2分钟的无氧前驱体预稳定阶段，可将随后的预氧化时间减少至15分钟，然后进行3分钟的碳化。目前，该项技术已经授权给美国橡树岭的LeMond Carbon。迪肯大学24K碳纤维试验线的第三方审计已证实，这种大幅缩短的氧化时间可与东丽T300纤维的性能相媲美，其拉伸模量为273GPa，拉伸强度为3.5GPa，断裂应变为1.5%。该性能还不能完全达到东丽T700S标准模量12K纤维的性能，后者是压力容器和一些航空航天应用的基准材料。更准确地说，迪肯大学的快速预氧化纤维超过T700S模量（273GPa高于T700s的230GPa），但低于T700S碳纤维4.9GPa的拉伸强度和2.1%的断裂应变。然而，迪肯大学和LeMond Carbon声称，每公斤生产纤维的成本减少了75%，能耗减少了70%。
与使用热传导或热对流的传统加热方法不同，微波加热能够实现材料选择性和快速加热，并有望成为实现电气化和节能工业过程的关键技术。
尽管自20世纪70年代以来，微波工艺一直在工业上使用，但工业微波加热系统的全球销售额可能不到1亿美元，而家用微波炉的销售额在15亿至20亿美元之间。大多数工程师并不熟悉微波加热机制，因此它们代表着与传统系统的根本背离。
此外，还存在一些其他问题。因为微波是波，它们很难控制。工业界普遍认为微波技术无法从实验室系统中扩大规模。
微波加热生产线的设计还涉及多个相互关联的变量，例如微波生产磁控管的设计和工艺容器/反应器的设计，以及被加热材料中微波吸收和反射的控制。
在了解了微波技术瓶颈之后，那么，MWCC公司是如何克服这些挑战的呢？Iawo Yoshino介绍说：“我们已经开发了一个数据库，其中包括每个分子的微波吸收率。它建立了一种周期表，不是基于化学特性，而是基于物理特性，特别是电磁和介电性能。”
Iawo Yoshino解释道：“微波是电磁的。每个分子都有一个独特的吸收率，这种吸收率随电磁波长的不同而不同，也随温度的变化而变化。我们利用这些信息来完成模拟。我们设计了化学反应，以便可以将微波能量射向特定的材料。”
“我们也利用这些信息来设计反应堆。通常，对于工业化学过程，你需要加热整个反应器容器。但我们设计了反应器，以便可以选择加热的对象。例如，我们可以针对反应物、溶剂或催化剂。使用这些技术，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，”他继续说道。“我们有一台超级计算机来进行这一模拟，这有助于我们为正在使用的每种材料和工艺定义最佳能量分布。我们不仅完成了电磁行为模拟，还将其与流体分析模拟相结合。”
这就是为什么过去使用微波加热生产碳纤维的尝试失败了吗？Iawo Yoshino表示：“我们听说，某些碳纤维公司只能在实验室使用微波加热工艺，无法有效地将其扩展到工业系统。我能理解这一点，因为在使用微波加热时，对过程的控制非常困难。你需要物理方法和模拟来开发控制。我不知道有多少化工公司有这样的背景。”
Iawo Yoshino表示：虽然很难，但直接微波加热的控制比间接感应加热要好。他重申：“我们正在将能量直接注入分子中。我们控制能量输入和温度，例如，这使我们能够通过高质量碳纤维所需的工艺控制精确PAN前驱体的氧化和碳化。”
MWCC公司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、电池用稀土金属的精炼、甲烷制氢以及石墨烯等碳基纳米材料的生产。
该公司专门特别瞄准可持续性和高增长应用。为了实现这些目标，MWCC开发了一个基础设施，包括测试实验室和一个大型加工厂，在其大阪总部提供演示平台。它还建立了一个跨学科专家团队，从设计/概念到验证、演示、扩大规模、商业安装和制造，为客户提供支持。
MWCC有越来越多的应用程序，它已经完成或正在与56家公司合作进行85个项目。PlaWave是一种基于微波的塑料分解技术，与三菱化学合作开发，用于家庭用品和车辆中聚氨酯泡沫的化学回收，其目标是在将分解速度提高200%的同时实现70%的能耗减少，计划于2023年进行小规模示范，2024年进行大规模示范，2026年实现商业化。
MWCC还与住友化学一起致力于从甲烷中生产氢气。在2022年成功演示了实验室规模的工艺后，将于2023年在MWCC建造一条试验线，目标是到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
料的热解似乎可以从减少的能源使用中大大受益。微波加热对复合预浸料的固化也进行了研究。由英国GKN航空航天公司研究结果显示：微波技术依赖于体积加热，热能可以在整个零件中以电磁方式相对均匀且快速地传递，而不是以热通量的形式传递；这可以实现更好的工艺温度控制和更少的总能量使用，并缩短固化周期；它还使处理器能够将热量专门引向待固化的零件，从而最大限度地提高提高固化工艺效率。”
在一次使用三种高压釜（OOA）预浸料系统的试验中，GKN在德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）开发的直径1.8米、长度3.0米的Hephaistos微波固化炉中固化了数个4至5毫米厚的飞机机翼襟翼加强蒙皮结构。GKN发现，微波技术消耗的能量比同类高压釜少80%，循环时间节省40%。在180°C的零件设定点温度和约80°C的工具温度下，总循环时间为4.5小时。
文章来源：碳纤维及复合材料技术 钱 鑫 博士
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原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：微波加热原理、瓶颈及在碳纤维加工中的应用
