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针对传统聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产中有机溶剂有毒、能耗高及 CO?排放量大等问题，研究人员开发水溶性聚丙烯酰胺（aqPAM）前驱体。通过引入磷酸（PA）缩短热稳定时间，提升碳产率，制得的 aqPAM 基碳纤维性能与 PAN 基相当，且 CO?排放更低，为绿色碳纤维生产提供新路径。
在材料科学的舞台上，碳纤维（CF）宛如一颗闪耀的明星，以其轻质、高强度、耐腐蚀等卓越性能，在航空航天、汽车制造等领域占据着不可替代的地位。目前，全球 90% 的碳纤维生产依赖聚丙烯腈（PAN）前驱体，然而这一主流工艺却暗藏 “生态隐忧”：生产过程中需使用二甲基亚砜（DMSO）等有毒有机溶剂，不仅成本高昂，还会产生 hazardous waste；更棘手的是，热稳定化过程需要在 200-300℃下持续 60-90 分钟，能耗占生产成本的 37%，产生的 CO?排放量是钢铁生产的 12 倍之多。如何让碳纤维生产摆脱 “高污染、高能耗” 的标签，成为全球材料领域的重要课题。
为破解这一困局，丰田中央研发实验室（Toyota Central R&D Labs., Inc.）与丰田汽车公司（Toyota Motor Corporation）的研究团队展开了一场 “绿色材料革命”。他们将目光投向水溶性高分子领域，致力于开发一种环保、高效的碳纤维前驱体，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用的核心技术方法包括：通过自由基聚合制备水溶性聚丙烯酰胺（aqPAM）及其共聚物，利用干纺工艺制备纤维；借助热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）等手段研究热稳定化和碳化过程；运用拉曼光谱、X 射线光电子能谱（XPS）等表征碳纤维的结构与性能；通过单纤维拉伸测试评估力学性能。
水溶性前驱体的设计与性能优化
研究发现，聚丙烯酰胺（PAM）在水中可实现近 100% 的聚合产率，其干纺过程仅需蒸发水分，避免了有机溶剂的使用。然而，纯 PAM 直接碳化时碳产率仅为 15.1%，远低于 PAN 的 64.7%。为解决这一问题，研究人员引入磷酸（PA）作为催化剂。PA 不仅能加速酰胺基团的环化反应，形成耐高温的戊二酰亚胺环，还能促进腈基的生成。通过对 AM/AN（丙烯酰胺 / 丙烯腈）共聚物的优化，当 AN 含量为 25mol% 并添加 2.9wt% PA 时，碳产率提升至 85.0%；进一步引入丙烯酸（AA）形成三元共聚物后，碳产率最高可达 96.8%，显著优于 PAN 基工艺。
热稳定化工艺的革命性突破
传统 PAN 热稳定化需在 240-270℃下维持 75 分钟，而 aqPAM 体系在 350℃下仅需 10 分钟即可完成稳定化。这一飞跃得益于 PA 催化下的快速环化反应，避免了 PAN 因剧烈放热导致的热失控风险。热分析表明，aqPAM 在稳定化过程中以吸热反应为主，生成 NH?和 H?O，而 PAN 则伴随剧烈的放热环化。缩短的稳定化时间使电能消耗降低 80% 以上，CO?排放相对指数从 PAN 的 1.0 降至 0.6，若考虑聚合物合成阶段的节能，整体排放可降低 40% 以上。
高性能碳纤维的结构与力学表征
所制备的 aqPAM 基碳纤维（aqPAM-CF）具有与 PAN 基碳纤维（PAN-CF）相当的力学性能。当使用 AM/AN/AA（60/35/5mol%）共聚物并经 330℃稳定化 12 分钟后，aqPAM-CF 的拉伸强度达 3.19GPa，拉伸模量为 229GPa，接近商业 PAN-CF（如 Toray T300）水平。拉曼光谱显示，其 ID/IG 比值低至 0.9-1.0，表明形成了高度有序的类石墨结构；XPS 和 EDS 分析证实，磷元素均匀分布于纤维表面，虽未形成 C-P 键，但未对导电性（体积电阻率 3.2×10?3Ω?cm）和热导率（15.4W?m?1?K?1）产生负面影响。
工艺优势与产业化前景
与传统工艺相比，aqPAM 路线展现出显著的环保与经济优势：无需有机溶剂，避免了溶剂回收的能耗与成本；干纺工艺简化了流程，聚合物产率提升至 97% 以上；稳定化设备体积可缩小，适合连续化生产。研究团队已成功制备 3200 丝束、长度超 15 米的 aqPAM-CF，验证了工艺的 scalability。尽管当前纤维截面为 “狗骨形”，直径 6μm 略大于商业产品，但通过优化纺丝条件和分子量，有望进一步提升性能。
这项研究颠覆了传统碳纤维生产模式，为 “碳中和” 目标下的绿色材料产业提供了关键技术支撑。水溶性前驱体与高效催化体系的结合，不仅解决了 PAN 工艺的毒性和能耗难题，更开辟了低成本、高性能碳纤维的新赛道。未来，通过引入石墨烯等纳米填料优化碳化过程，aqPAM-CF 有望在新能源、复合材料等领域掀起新一轮材料革新，推动 “绿色制造” 向更高维度发展。
