CSIRO：より高品質、高強度、低コストの炭素繊維の開発

「CSIROの仕事は、アクリロニトリルのポリへの重合を含む、炭素繊維製造の最初のステップに集中しています。 アクリロニトリルを紡糸し、PANをさらに処理して、より高品質で安価な前駆体繊維を製造します」とアボットは説明します。 PANの生産は、炭素繊維のコストの50％を占めていますが、その特性の70〜90％を占めています。 「ディーキン大学の技術には、酸化や炭化を含む炭素繊維製造の最終段階が含まれます」と彼は続けます。 「彼らがLeMondComposites（Oak Ridge、Tenn。、U.S。）にライセンス供与した技術は、これらの最終ステップのコストを下げることを目的とした急速な酸化のためのものです。」

次世代炭素繊維の目標を達成するために、CSIROは一連の戦略的ツールを使用しています：RAFT重合、FLOW化学プロセス、CarbonSpec計測。 「私たちの目標は、強度が20％高い航空宇宙グレードの炭素繊維を製造することです」とアボット氏は述べ、チームは2020年末までにいくつかの初期結果を出すことを望んでいます。

CSIROカーボンファイバーチーム

5,000人の従業員、55のサイト、8つのビジネスユニット、約10億ドルの予算を持つ、CSIROプロジェクトは、3D印刷、バイオポリマー、医療用インプラント、スマートアパレル、天文学/宇宙探査など、幅広いトピックにまたがり、2800を超えるプロジェクトが含まれます。毎年パートナー。 「CSIROはワイヤレスLANを発明し、特許を取得しました」とアボットは説明します。「そしてその収益を他の研究に資金を提供するために使用します。」

その55のサイトの1つは、カリフォルニア州シリコンバレーにあります。CSIROUSは、オーストラリアの研究者と米国のプロジェクトを結び付け、宇宙、農業、水保全、野火、スマートシティなどの分野で科学の進歩を促進しています。目標は、深い研究能力とさまざまな現実世界の問題の経験を結び付けるオープンイノベーションパートナーです。

「複合材料では、CSIROは新しい樹脂と加工技術を開発しています」と彼は続けます。 「私たちはまた、複合材料のモデリングやプロセスシミュレーション、および炭素繊維の特性の測定にも多くの作業を行っています。たとえば、炭素繊維の横弾性率を測定するための新しい機器を開発し、それを入力してモデリングとシミュレーションを改善しました。」

「CSIROはボーイングと30年の戦略的関係を持っています」とアボットは言います。 「私たちは、2016年と2017年にボーイングのテクノロジーサプライヤーオブザイヤーとして認められました。」 CSIROの炭素繊維チームは、サザンミシシッピ大学（米国ミシシッピ州ハティスバーグ）とも協力しています。

ウェットスピニングパイロットライン

炭素繊維前駆体の必要な研究を完了するために、CSIROは最初に独自の湿式紡糸ラインを確立する必要がありました。 「炭素繊維は、世界中のほんの一握りのメーカーによってのみ製造されており、それぞれが独自の特許取得済みのレシピを持っています」と、CSIROの最高経営責任者であるラリーマーシャル博士は2017年の新ラインの立ち上げで説明しました。パイロットラインは、ポリマーおよび繊維プロセス装置を専門とする機械メーカーであるMAE（Fiorenzuola d'Arda、イタリア）によってカスタムビルドされました。 「商用ラインのように設計されていますが、規模は小さいです」とAbbottは説明します。

CSIROのブログでは、パスタを作るというアナロジーを使用して、ラインの仕組みが説明されています。パスタを作るために使用される生地と同様に、ドープと呼ばれるポリマー溶液がPAN前駆体繊維を紡ぐために使用されます。パスタ生地をこねてからダイに押し付けてスパゲッティの細長いストランドを作るのと同じように、ドープを混合してから凝固させ、複数の穴のある紡糸口金を通して回転させて、500〜12,000本のPAN繊維の別々のストランドを生成します。 。これらの繊維は、洗浄され、ローラー上で伸ばされ、一連の溶液で安定化され、蒸気処理され、乾燥されてから、CarbonNexusの炭化ラインに巻き取られます。

「炭素繊維と前駆体原料の製造方法を完全に理解するには、長い時間がかかりました」とアボット氏は言います。 「誰も私たちを本当に助けたいとは思わなかったので、私たちはほとんど自分で学ばなければなりませんでした。しかし、今では、重要な前駆体プロセスを完全に制御できるようになりました。その後、CarbonNexusを使用して炭化を行います。」

RAFT重合

CSIROが適用しているもう1つのツールは、特許を取得して商品化されているRAFT（可逆的付加開裂連鎖伝達）技術です。 RAFTは、制御されたフリーラジカル重合の洗練された形式であり、組成と構造を前例のない制御で調整されたポリマーの合成を可能にします。 RAFTの用途は、新しいドラッグデリバリーシステムから工業用潤滑油やコーティングまで多岐にわたりますが、CSIROの炭素繊維チームは、RAFTを使用してPAN重合プロセスを制御しています。

「モノマーからポリマーへの従来の重合は、幅広い多分散性を生み出します。言い換えると、ポリマー鎖の長さが大きく異なります」と、CSIROチームリーダーのポリマー化学であるメリッサスキッドモアは説明します。 「しかし、RAFT剤を加えると、ほぼ同じ長さのポリマー鎖が得られるため、分子量分布がはるかに狭くなります。まだ同じ開始剤、モノマー、溶媒を使用していますが、RAFTを追加しているだけです。」

「分子量は紡糸液の粘度に影響します」とスキッドモアは言います。 「伝統的に、ドープ溶液中の高分子量は、前駆体繊維に溝のある表面をもたらしました。 RAFTを追加すると、ドープ溶液の粘度が低下し、固形分負荷が高くなります。ポリマーの非常に高分子量のポリマーを除去すると、繊維の分子配列が改善され、特性が向上する可能性があります。」彼女は、低分子量は繊維に可塑化効果があると付け加えています。 「RAFTは、構造上の欠陥が少なく、より高密度でより均一な前駆体繊維を生成できるPANポリマーを生成します。これは、炭化のスピードアップとコストの削減にも役立つ可能性があります。」

「これにより、複雑なポリマーアーキテクチャにもアクセスできるようになります」とSkidmore氏は述べています。 「RAFTは、ポリマーグループのさらなる化学的操作を可能にします。」これが役立つ例は、ドープ溶液を操作して繊維に凝固させる場合です。 「ドープポリマー溶液の理想的な特性と凝固条件の間には微妙なバランスがあります」と彼女は付け加えます。 「ポリマーは95％のPANと5％の添加剤です。 RAFTポリマーの動作は異なるため、従来の添加剤の一部を減らし、より高い割合で高固形分繊維に変換できると考えています。これにより、欠陥が少なくなります。現在、これをテストしています。」

現在は主な焦点ではありませんが、RAFTは、重合中に機能を追加できるという点でも非常に興味深いものです。たとえば、研究者たちは、CO2回収のための高い吸着能力を備えた複合材料を作成する方法を検討してきました（つまり、CO2は複合材料の分子表面に付着します）。多機能複合材料は、航空機や電気自動車のメーカーからすでに求められています。機能が追加された新しいタイプのPANおよび炭素繊維は、将来の複合材料の重要なソリューションになる可能性があります。

継続的なFLOWプロセス

「RAFTを使用すると、重合を制御できます」とAbbott氏は言います。 「FLOWを使用すると、繊維の形成をより細かく制御できます。」

FLOWは、重合をバッチプロセスではなく連続プロセスに変換します。アボットとスキッドモアは、現在使用されているバッチ反応器は確立されており、セットアップが簡単で、反応速度の混合と監視に効率的ですが、連続プロセスリアクターよりも大量に必要であるため、工業規模のセットアップには費用がかかると説明しています。これらの大容量バッチ反応器は、スペースとエネルギーの消費に関しても非効率的です。連続プロセス反応器は、より小さく、より安価で、スケーリングが容易で、エネルギー効率が高く、バッチ処理よりも優れたプロセス制御と再現性を提供します。ただし、これらは専用の連続したラインであるため、さまざまなパラメータや製品を切り替える際の柔軟性が低くなります。

安全性と持続可能性のメリットもあります。 「現在、PANの生産は、特に毒性に関して、環境的に持続不可能です」とスキッドモアは言います。 「重合プロセスを継続的に行うと、毒性、臭気、可燃性の反応剤が自動装置によって分離および処理されるため、安全性が向上します。ただし、これにより回線の複雑さが増し、高度な監視と制御が必要になります。」さらなる開発が必要ですが、Abbottは、FLOW重合をポジティブなものと見なしています。「炭素繊維は本質的に可変であるため、この変動を減らすためにできることはすべて、特性を向上させます。」

CarbonSpec –管理するための測定

CSIROの炭素繊維アプローチの最後のツールはCarbonSpecです。 「基本的には、製造する繊維をテストし、特性と材料の関係をよりよく理解するために開発した計測学です」とPierlot氏は説明します。 「それを測定できなければ、改善することはできません。また、最小限のPANおよび炭素繊維測定から炭素繊維の特性をより正確に予測することができます。」

「炭素繊維業界では、計算されたシンクロトロンX線を使用するのが標準です。
繊維の微細構造を決定するための断層撮影（CT）」とPierlot氏は言います。 （シンクロトロンは、サッカーのフィールドサイズの粒子加速器であり、イメージングなどのために隣接するビームラインに向けられる非常に明るいX線を生成します。）「オーストラリアンシンクロトロンのビームラインスタッフの支援を受けて、新しい専用の特性評価プロトコルがあります。個々のPAN前駆体と炭素繊維の微細構造をスキャンするために開発されました。直径5ミクロンの小さな個々の繊維の微細構造マップが数分で実現されます。 SAXS信号は繊維の細孔の発達を理解するのに役立ち、WAXS信号は繊維の弾性率を最適化するための重要な微細構造パラメーターを特定するのに役立ちます。両方の信号を同時に使用することで、PANドープから炭素繊維までの製造プロセスの各段階で機械的強度と剛性を監視および最適化できます。」

Pierlotは、CarbonSpec内で、チームは新しい機器とテスト方法も開発していると述べています。 「たとえば、通常報告されている繊維の軸方向特性に加えて、横方向の弾性率と強度を測定しています。このために開発した新しい方法を使用して、軸方向の圧縮強度も測定できると考えています。」後者は、単一のカーボンまたはPANファイバーの直径が非常に小さく（5〜10 µm）、座屈を引き起こさずに真の軸方向の圧縮応力を加えることが難しいため、長い間課題でした。

強度が20％向上、次世代の炭素繊維

「ポリマーを繊維に変換する方法についての理解が深まり、現在、市販の繊維を製造しています」とアボットは言います。 「これらの技術ツールを他の前駆体ポリマーに適用して、RAFTを使用したPANのCSIROバージョンであるSIROPANを作成しています。今ではその繊維をキログラム作ることができます。」

「次のステップは、RAFTポリマーを使用する利点を評価することです」と彼は続けます。 「私たちはまだPANを製造していますが、分子量をより適切に制御し、粘度を下げながら分子量を増やすことで、より強力な炭素繊維を生成できます。」どれくらい強いですか？ 「まだわかりませんが、目標は20％強力です」とAbbott氏は言います。 「10％強力では、前駆体の変更を経済的に実現可能にするのに十分な改善ではないことを私たちは知っています。業界によれば、20％が最低限必要です。」

• RAFTを介して新しい前駆体ポリマーを開発する（高品質のポリマーまたはさまざまな特性）
• 商業的に競争力のあるポリマープロセス（FLOW）を開発する
• 低コストと高特性のためのポリマーの繊維への変換（湿式紡糸）を理解する
• 前駆体の特性が炭素繊維の特性に与える影響を理解し、炭素繊維の特性をより正確に予測し、これらの測定と予測に基づいてプロセスを最適化します（CarbonSpec）
• PANと炭化繊維を設計することにより、特定の最終用途向けに特注の炭素繊維を製造します

「炭素繊維産業は毎年10％で成長しています」とアボットは言います。 「私たちは、炭素繊維の品質、性能、コスト、持続可能性の向上に関心のある、定評のある、または新しい業界のプレーヤーと提携したいと考えています。」

「私たちは6つの異なる前駆体配合をテストしており、CarbonNexusでこれらを炭化します」とSkidmoreは付け加えます。 「今年の終わりまでに結果が出ると期待しています。 RAFTポリマーから白い繊維に到達し、次に炭化するまでにはしばらく時間がかかります。」

アボットは、「年末までに強力な結果を望んでいますが、長期的にはこれに取り組んでいます」と付け加えています。

この研究は、Science and Industry EndowmentFundによってサポートされています。