在一个新的研究美国北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)的研究人员找到了一种方法，可以提高制造碳纤维过程中部分工序的能源效率。碳纤维是一种坚固的材料，有时可以代替钢铁，用来制造更轻、更节能的汽车、飞机和其他产品。
在杂志应用聚合物科学研究人员报告了一项实验的结果，他们将某些水果中发现的两种生物衍生的化学物质添加到碳纤维的前体材料中。他们发现，添加这两种化学物质后，开始制造碳纤维的化学转换过程所需的能量更少。这种化学物质是被称为葡聚糖酸和粘液酸的糖酸。
“人们对碳纤维的需求在不断增加，而对于低成本的碳纤维，其主要应用之一就是将其作为一种结构材料用于汽车，”他说艾丽卡福特她是北卡罗来纳州立大学纺织工程、化学和科学的助理教授。“在这项研究中，我们发现，通过将这两种化学物质添加到前驱体材料中，我们可能会减少完成碳纤维制造过程中一个阶段所需的能量，并有助于降低成本。”
在实验室中使用这两种化学物质之前，研究人员利用计算机建模来预测当他们将这两种化学物质添加到前体物质时会发生什么。他们对这种化学品的兴趣最初是在葡聚糖酸(glucaric acid)被美国能源部(U.S. Department of Energy)列为具有工业意义的化学品之后激发起来的。
“我们对了解这些化学物质如何与前体物质相互作用很感兴趣，所以使用计算机模型和模拟，我们甚至在开始实验室工作之前就能看到它们的相互作用参数，”研究合著者汉娜·戴德蒙(Hannah Dedmon)说，她是北卡罗来纳州的研究生。“我们能够放慢速度，专注于研究原子级别的细节，这是我们在实验室中看不到的。”
然后，他们通过实验测试了制造前驱体的材料，一种叫做聚丙烯腈(PAN)的塑料材料，有时也被称为“丙烯酸”。
研究人员说，用聚丙烯腈制造碳纤维的过程是一个“纺丝”过程，首先要制造非常细的细丝，就像制作棉花糖，或者像蜘蛛织网一样。
首先，他们制造了一种粘稠度类似蜂蜜的凝胶状材料。然后他们把“蜂蜜”通过一根细针，变成一根细丝，就像一根细小的头发。然后，他们把头发加热到很高的温度。加热过程有助于将聚丙烯腈纤维转变成构成碳纤维基础的结构。
添加物降低了启动化学过程所需的能量，使PAN的碳结构降低了5倍。研究人员表示，这也可以通过加快反应速度来降低这一步生产过程的总成本。
该研究的主要作者、北卡罗来纳州立大学的博士生Debjyoti Banerjee说:“这些带有官能团的小分子能够比没有在纤维中更有效地启动反应。”
研究人员计划研究其他添加剂，并可能使用计算机模型来预测哪种添加剂可能会带来最大的效益。
福特说:“我们有兴趣寻找其他可以添加到聚丙烯腈纤维中的天然产品，并影响它们在转化为碳纤维时的有效性。”
Banerjee, Dedmon, Ford, Farzin Rahmani和Melissa A. Pasquinelli撰写了这项研究，“使用异转换方法凝胶纺聚丙烯腈醛酸糖的环化动力学”。它是由北卡罗莱纳州校长创新基金资助的。
