對微波加熱持懷疑態(tài)度的人說，這行不通——總部位于大阪的微波化學(xué)公司說，它已經(jīng)做到了——并繼續(xù)推進(jìn)其基于模擬的技術(shù)，以減少制造業(yè)的 能源使用和排放。

　　

　　

　　

　　化學(xué)公司已將其微波加熱技術(shù)應(yīng)用于碳纖維生產(chǎn)，據(jù)報道，該公司將能源使用量減少了50%，二氧化碳減少了90%

　　

　　微波化學(xué)公司（MWCC，日本大阪）成立于2007年。該公司目前有60名員工，其使命是創(chuàng)新化學(xué)工業(yè)，并利用其微波技術(shù)徹底改變制造業(yè)，以“創(chuàng)造一個我們從未見過的世界”。

　　

　　

　　

　　微波化學(xué)公司（MWCC）已經(jīng)與世界頂級化學(xué)公司（如巴斯夫（#1）、 三菱化學(xué)（#11）、住友化學(xué)（#19）、三井化學(xué)（#29））以及開創(chuàng)可持續(xù)材料的公司（如 Taiyo Kagaku Co.、Futamura Chemical）和 PeptiStar， 該公司生產(chǎn)用于治療癌癥、糖尿病、艾滋病毒和其他免疫疾病的肽類藥物。

　　

　　在過去的15年里，MWCC與世界頂級化工公司以及可持續(xù)材料和工藝領(lǐng)域的先驅(qū)合作，證明其微波技術(shù) 與當(dāng)前基于化石燃料的工業(yè)系統(tǒng)相比，可減少高達(dá)70%的能源使用、高達(dá)90%的加熱時間和高達(dá)80%的設(shè)備占地面積。

　　

　　2022年11月，MWCC宣布，其基于微波的Carbon MX技術(shù)將在生產(chǎn)環(huán)保碳纖維的中試生產(chǎn)線上進(jìn)行演示。該示范設(shè)施將于2023年12月在合作伙伴三井化學(xué)（日本東京）名古屋工廠內(nèi)建成。

　　

　　對綠色碳纖維的需求

　　

　　Carbon MX 的開發(fā)確實是及時的。正如Dowty Propellers（英國格洛斯特）高級復(fù)合材料工程師James Trevarthen 在CW2022巡演文章中所解釋的那樣，“碳纖維的生產(chǎn)是我們產(chǎn)品總體上最大的能耗步驟。我們正 在與包括Teijin（日本東京）在內(nèi)的供應(yīng)商合作，盡可 能減少碳纖維對環(huán)境的影響。”

　　

　　弗勞恩霍夫環(huán)境 、 安全和能源技術(shù)研究所 (UMSICHT，Oberhausen，Germany)在2019年CW關(guān)于再生碳纖維的一篇文章中引用了這篇文章，該研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)一公噸碳纖維會排放29.45公噸二氧化碳。在最近對Hexagon Purus（挪威奧斯陸）首席執(zhí)行官Morten Holum的采訪中，這個問題得到了進(jìn)一步的強調(diào)， 一家用于儲存氫氣的碳纖維復(fù)合材料壓力容器的生產(chǎn)商：“碳纖維必須以更可持續(xù)的方式生產(chǎn)。我們都有 ESG （環(huán)境、社會、治理）作為一家清潔能源解決方案公司， 我們致力于盡可能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在我們的產(chǎn)品中， 碳纖維是能源和減排方面最具挑戰(zhàn)性的成分。作為碳纖維消費者，我們需要一種碳強度（二氧化碳排放量）顯著降低、前體更可持續(xù)的產(chǎn)品。制造商還需要開發(fā)一種成本較低的制造方法。所有碳纖維制造商都將越來越感受到這種壓力，要求其更加可持續(xù)，因為這是全球的當(dāng)務(wù)之急。”

　　

　　微波化學(xué)公司的歷史

　　

　　巖尾吉野(Iwao Yoshino)是微波化學(xué)公司的首席執(zhí) 行官和創(chuàng)始人。吉野出生于大阪，大學(xué)畢業(yè)后被三井株式會社聘用。他被分配到化學(xué)品部，主要從事石化產(chǎn)品貿(mào)易。后來，他離開三井，在美國加州大學(xué)伯克利分校 獲得MBA學(xué)位。吉野位于硅谷附近，他看到了風(fēng)險投資公司如何通過將新技術(shù)商業(yè)化而產(chǎn)生全球影響。

　　

　　獲得MBA學(xué)位后，吉野在西雅圖一家支持環(huán)保和 能源初創(chuàng)公司的公司工作。從這些經(jīng)驗中，他開始制定戰(zhàn)略，通過基于商業(yè)的解決方案影響全球能源和環(huán)境問題。

　　

　　吉野回到日本，并在2006年認(rèn)識了大阪大學(xué)工程 研究生院的微波研究員Tsukahara Yasunori。他們于2007年共同創(chuàng)立了 MWCC，用化工廠和食品廠的廢油生產(chǎn)生物柴油。然而，在這樣一個保守的行業(yè)中，應(yīng)用微波 處理等新技術(shù)并不容易被接受。MWCC意識到，它必須建造自己的微波化工廠來證明這項技術(shù)的有效性。該公 司在2014年做到了這一點，并增加了項目合作伙伴。

　　

　　15年后，MWCC于2022年6月在東京證券交易所 創(chuàng)業(yè)板成功完成 IPO。吉野說：“電動制造和移動據(jù)說是碳中和的關(guān)鍵。” “隨著我們公司的微波技術(shù)平臺現(xiàn)已成熟，重要的是我們要發(fā)展壯大，以建立能夠為世界環(huán)境和能源問題提供這些解決方案的企業(yè)。”

　　

　　替代加熱、碳纖維生產(chǎn)線

　　

　　微波加熱在碳纖維制造中的潛力并不新鮮。2014年， CW報道了UHT Unitech（臺灣鐘離）的微波技術(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比，生產(chǎn)T800或T1000 級纖維的能量減少了30%，工藝時間減少了50%，成本降低了15-30%。

　　

　　什么是傳統(tǒng)的碳纖維工藝？根據(jù)CW公司 2008 年 關(guān)于碳纖維制造的底漆和其他來源，該工藝從首先在富 氧環(huán)境中穩(wěn)定的 PAN（聚丙烯腈）前體開始——在200- 300°C下氧化通常需要 30-120 分鐘。隨后的碳化可能需 要長達(dá) 30-40 分鐘，但大多數(shù)較新的生產(chǎn)線只需要幾分 鐘，纖維就可以通過低溫（700-800°C）和高溫（1200- 1500°C）烘箱/熔爐，這兩個烘箱/熔爐都充滿了惰性氣體（如氮氣）。一條典型的生產(chǎn)線可以使用 4-6 個烤箱。控制放熱、溫度、張力和其他參數(shù)是確保高質(zhì)量碳纖維 具有所需拉伸模量、強度和破壞應(yīng)變的關(guān)鍵。

　　

　　等離子體化學(xué)是碳纖維制造的另一種節(jié)能替代品。雖然等離子體通常被認(rèn)為是非常熱的，比如在恒星中， 但也有冷等離子體，它可以在室溫下工作。4M Carbon Fiber（美國田納西州諾克斯維爾）在其等離子體氧化技 術(shù)中使用的正是這種等離子體，據(jù)4M報道，與傳統(tǒng)的熱空氣氧化相比，這種等離子體可以節(jié)省高達(dá)75%的能源消耗（kWh/kg纖維），并在專有的增強化學(xué)和新穎的硬件和工藝設(shè)計的幫助下將產(chǎn)量提高 300%。2020 年， CW 報道稱，沙特阿美技術(shù)公司（沙特阿拉伯達(dá)蘭）將 進(jìn)行包括微波和等離子體加熱在內(nèi)的研究，以及旨在將碳纖維制造成本降低50%的新型前體。

　　

　　迪肯大學(xué)（澳大利亞吉隆）的專利技術(shù)——由 LeMond Carbon（美國田納西州橡樹嶺）授權(quán)——也可 以實現(xiàn)快速氧化，但不能通過微波或等離子體加熱。相反，它添加了1到2分鐘的無氧前體預(yù)穩(wěn)定階段，可以 將隨后的氧化/穩(wěn)定減少到15分鐘，然后進(jìn)行3分鐘的碳化。迪肯24K纖維試驗線的第三方審計證實了這種短的氧化時間，其性能與東麗（日本東京）T300 纖維相當(dāng) ——273千兆帕斯卡拉伸模量、3.5千兆帕斯卡抗拉強度和1.5%的失效應(yīng)變。這些性能并沒有完全達(dá)到 Toray T700S標(biāo)準(zhǔn)模量12K纖維的性能，該纖維是壓力容器和 一些航空航天應(yīng)用的基準(zhǔn)。更準(zhǔn)確地說，迪肯大學(xué)的纖維超過了T700S模量（273對230千兆帕斯卡），但低于4.9千兆帕斯卡的拉伸強度和2.1%的失效應(yīng)變。然而，迪肯大學(xué)和LeMond Carbon聲稱，每公斤輸出纖維的資本支出減少了75%，能耗減少了70%。對于由模量驅(qū)動且不需要如此高的抗拉強度的應(yīng)用，這是非常值得追求的。

　　

　　Carbon MX微波技術(shù)

　　

　　MWCC首席執(zhí)行官吉野說：“我們在氧化和碳化過 程中都使用微波加熱。” “使用我們的Carbon MX 技術(shù)需要新的碳纖維制造設(shè)備，但與物理足跡小得多的傳統(tǒng) 碳纖維生產(chǎn)線相比，其能源使用量約為50%。資本支出也小得多。”

　　

　　吉野說：“我們已經(jīng)在實驗室規(guī)模和我們工廠的第一條試驗線上展示了這種碳纖維生產(chǎn)方法。” “現(xiàn)在， 我們正在與三井化學(xué)合作，在他們的工廠安裝一條更大 的第二階段試驗線。”這條示范生產(chǎn)線將耗資20億日元 （1400 萬歐元）。MWCC目前無法透露其產(chǎn)能。請注意，這一成本幾乎比 Leonardo（意大利羅馬）和MAE（意大利佛羅倫薩）（PAN 前體生產(chǎn)線專家）建造 的碳纖維中試線低20%。這條耗資 1700 萬歐元的常規(guī) 生產(chǎn)線位于意大利皮亞琴察，計劃于2022年第二季度 開始生產(chǎn)，預(yù)計年產(chǎn)能為30公噸PAN前體和12.5公噸碳纖維，每年運營250天。

　　

　　相比之下，目前碳纖維生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者東麗（日本東京）于2022年11月宣布，其歐洲部門將投資 1 億歐元， 在其位于法國拉克的工廠建造一條新的 1000 噸/年碳纖維生產(chǎn)線。一個200 x 30米的新大廠房計劃于2023年年中開始施工，兩年后開始生產(chǎn)，這是新碳纖維生產(chǎn)上 線的典型時機。如果這個設(shè)施只需要該空間的 1/5，并且二氧化碳排放量減少 90%。