SIROPAN前驱体旨在利用RAFT 聚合、FLOW工艺和新的计量方法，通过加强控制来将碳纤维的性能提高20%以上。
包括氧化和碳化，Carbon Nexus专注于碳纤维生产的后步骤，而CSIRO专注于碳纤维生产的步，包括PAN前驱体的聚合与纺丝。将他们结合在一起，意味着吉朗正在对整个碳纤维工艺链进行革新。
该碳纤维团队组合了CSIRO的高分子化学和纺织技术专业知识。
CSIRO与迪肯大学的Carbon Nexus设施（该设施于2013年推出了其碳化生产线）合作，2017年推出了自己的湿法纺丝生产线，用于生产PAN原丝。
CSIRO和Carbon Nexus都是迪肯大学位于吉朗（墨尔本西南约75公里）的Waurn Ponds校区的一部分。
这些组织正在与作为吉朗先进纤维集群一部分的当地复合材料行业展开合作，包括知名的复合材料制造商。
Abbott解释说：“ CSIRO的研究集中在碳纤维生产的步，包括从丙烯腈合成聚丙烯腈，然后进行纺丝和进一步加工以获得更高质量和更便宜的前体纤维。” Pan生产工艺占碳纤维成本的50％，但是 规定了效率为70％的碳纤维的效率为90％。“迪肯的技术涵盖了碳纤维生产的终步骤，包括氧化和碳化。”“柠檬复合材料的许可技术（美国田纳西州橡树岭） 氧化以减少这些下游生产步骤的成本，“
为实现其开发下一代碳纤维的目标，CSIRO正在使用一套战略工具，包括：RAFT 聚合、FLOW化学工艺和CarbonSPEc计量方法。
“我们的目标是，生产一种强度提高了20%的航空级别的碳纤维。”Abbott表示，该团队希望到2020年底有一些初步结果。
湿法纺丝试验生产线
为了完成有关碳纤维前躯体的必要研究，CSIRO先必须建成自己的湿法纺丝生产线。
“上只有少数的制造商能生产碳纤维，且每一家都有自己的技术机密和配方。”CSIRO的总裁Larry Marshall博士在2017年新的生产线启动仪式上如是说。这条试验生产线由专业生产聚合物和纤维加工设备的机器制造商MAE公司（意大利Fiorenzuola d'Arda）为其订制。“它被设计成像一条商用的生产线，但规模较小。”Abbott解释道。
CSIRO在自己的线上主页用“做意大利面”来描述这条生产线的工作原理。
就像做意大利面的面团，名为dope的聚合物溶液被用于纺制PAN原丝：好比是将面团揉好，然后压制使其通过模头，制成细长的意大利面条。Dope经混合、凝固后，通过多孔的喷丝板以进行纺丝，从而生产出500～12000股不同的PAN纤维，所有这些纤维比人的头发丝还细。在进行缠绕从而进入Carbon Nexus的碳化生产线之前，这些纤维会得到清洗、在辊筒上拉伸、在一系列溶液中稳定，然后是蒸干。
“我们花了很长时间才完全理解了如何制造碳纤维及其前体原料。”Abbott说道，“没有人真的想帮助我们，所以我们只能自己学习。然而，现在我们已经完全控制了前驱体的制备过程，这是关键，然后我们使用碳链进行碳化。”
RAFT聚合
可以更好地控制聚合，包括聚合物的大小，组成和结构，它在聚合物主链中使用反应性端基来增强功能和复杂结构，例如接枝聚合物，星形聚合物和梯度
CSIRO使用的另一个工具是技术和商业化的RAFT技术。
它是受控自由基聚合的一种复杂形式，可以完成合成聚合物的合成，并且对组成和结构进行空前的控制。
从新的药物输送系统到工业润滑剂和涂料，CSIRO的碳纤维团队都使用traft来控制全聚合。
CSIRO聚合物化学团队负责人Melissa Skidmore表示：“从单体到聚合物的常规聚合反应会产生广泛的多分散性，或者聚合物链的长度不同。但是，如果添加筏试剂，我们现在可以得到几乎相同长度的聚合物链。因此，我们仍然使用相同的引发剂，单体和溶剂，但使用的是木筏。
斯基德莫尔说：“分子量会影响纺丝溶液的粘度。”“传统上，药物溶液中较高的分子量会在前体纤维的表面形成沟槽。”添加木筏会降低溶液的粘度，从而导致较高的永久载荷。从中除去高分子量聚合物聚合物可以改善纤维的分子排列并改善纤维的性能。她补充说，低分子量可塑化纤维。“木筏生产的髋臼聚合物可以生产出密度更高，更均匀的前体纤维，且设计缺陷更少，这也有助于加速碳化和降低碳化度。费用。”
Skidmore说：``它还使我们能够访问复杂的聚合物结构。筏可以对聚合物基团进行进一步的化学处理。一个很好的例子是将药物溶液处理并浓缩成纤维之后。聚合物溶液的理想性能和固化条件之间存在微妙的平衡。“她补充说：”该聚合物为95％潘（pan）和5％添加剂。由于筏聚合物的不同性能，我们认为我们可以减少一些传统的添加剂，并将较高百分比的纤维转变为高固含量的纤维以减少瑕疵。我们对其进行了测试，尽管仍在继续进行。科学家在复合材料表面添加二氧化碳很有趣，探索如何生产具有高二氧化碳吸附能力的复合材料仍然很有趣，多功能复合材料受到飞机和电动汽车制造商的青睐，因此，具有附加功能的新型髋臼和碳纤维可能变得很重要。自动化解决方案适用于未来的复合材料行业。
连续流程
“有了RAFT，我们就可以控制聚合。”“但是有了流动，我们就可以更好地控制纤维的形成，”雅培说。
分批和流聚合反应器的实例
该流将聚合转化为连续过程，而不是分批过程。
Abbott和Skidmore解释说，尽管目前的间歇式反应器已经成熟，不仅易于安装，而且还可以有效地混合和监控反应动力学，但所需容量要大于连续过程反应器的容量，这意味着在工业规模上建造间歇式反应器这种反应堆价格昂贵，而且这些大批量反应器占用空间和能源消耗，而且效率低下。
与间歇过程相比，连续反应器更小，更便宜，易于扩展，更节能，并且可以提供出色的过程控制和更好的重现性。
由于它是一条独立的连续生产线，因此在不同参数和产品之间切换时没有灵活性。
此外，在安全性和耐用性方面也有好处。
“目前，PAN的生产在生态上是不可持续的，特别是在毒性方面。”“要不断提高聚合过程的安全性，将有毒，有气味和易燃的试剂需要隔离并用自动装置进行处理，但这将增加生产线的复杂性，并需要更高的监控水平，“斯基德莫尔说
尽管仍有进一步发展的空间，但雅培认为流聚合技术是积极有效的：“碳纤维本身是可变的，因此可以采取一切措施来减少可变性以提高性能。”
Karbonspec：管理措施
CSIRO的碳纤维方法的终工具是carbonspec。“它是我们作为计量学开发的，可以测试我们生产的纤维以更好地了解功能材料之间的关系。”“如果无法测量，就无法改进。”
强度提高20%的下一代碳纤维
“我们已经加强了我们对如何将聚合物转化为纤维的理解，现在正在生产商用纤维。”Abbott说，“我们正在将这些技术工具应用于其他前体聚合物以制造SIROPAN，这是使用RAFT技术的CSIRO版本的PAN，现在我们能按公斤生产这种纤维。”
“下一步是评估使用RAFT聚合物的好处。”他继续说，“我们还在生产PAN，但我们在降低黏度的同时能更好地控制分子量并增加它，这样才能生产出更强的碳纤维。”
有多强？
“还不确定，但我们的目标是强20%。”Abbott说，“我们知道，强10% 不足以使改变前驱体成为经济上可行的一项改进措施，因此强20%是必要的。”
1. 利用RAFT技术开发新型前体聚合物（聚合物或不同的性质）。
2. 开发具有商业竞争力的聚合物工艺（FLOW）。
3. 了解聚合物转化为纤维（湿法纺丝）以降低成本和提高性能。
4. 了解前驱体性能对碳纤维性能的影响，更好地预测碳纤维的性能，根据这些测量和预测优化流程（CarbonSpec）。
5. 通过工程化PAN和碳化纤维，生产适合特殊终端应用的订制碳纤维。
“碳纤维行业正以每年10%的速度增长。”Abbott说，“我们希望与那些对改善碳纤维的质量、性能、成本和可持续性感兴趣的成熟的和新的行业参与者展开合作。”
“我们正在测试6种不同的前体配方并将在Carbon Nexus对它们进行碳化。” Skidmore补充道，“我们希望今年年底能有结果。从RAFT聚合物到白色纤维然后再通过碳化需要一段时间。”
这项研究获得了科学和工业捐赠基金的资助。
