以煤作為原材料生產(chǎn)瀝青基碳纖維，并不是十分新鮮的嘗試。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，包括三菱化學(xué)、日本石墨纖維公司在內(nèi)的諸多企業(yè)都進(jìn)行了相關(guān)的研究和探索。其中，三菱化學(xué)開發(fā)的高性能DIALEAD纖維具備高剛度、零膨脹系數(shù)的特性，對(duì)很多航空航天項(xiàng)目的成功起到了關(guān)鍵作用。
盡管方法并不新鮮，但近幾年卻據(jù)此涌現(xiàn)出不少新的項(xiàng)目，主要目的無(wú)外乎以下兩者：1）開發(fā)煤炭除發(fā)電之外的新應(yīng)用，既能降低碳排放，還能保證煤礦工人的就業(yè)；2）將這種成本低、含碳量高的原絲轉(zhuǎn)變?yōu)榈统杀镜睦w維材料，在非航天領(lǐng)域普及應(yīng)用。
懷俄明州（Wyoming）的嘗試
過(guò)去兩個(gè)世紀(jì)里，煤炭是人類重要的能量來(lái)源和化學(xué)原料來(lái)源，衍生產(chǎn)品包括染料、炸藥、醫(yī)藥等等。在電燈發(fā)明之前，煤氣還是人們照明的主要工具。然而，煤炭最重要的作用是為鋼鐵工業(yè)提供焦炭（Coke）——一種高含碳量的冶煉用精煤，在煤的品類中等級(jí)最高、售價(jià)最貴。
而作為生產(chǎn)碳纖維所用的原絲，煤和已被廣泛接受的聚丙烯腈（PAN）有明顯差異。美國(guó)西部研究所（Western Research Institute）總裁Don Collins表示說(shuō)，煤當(dāng)中包含30%的水、各類重金屬和礦物質(zhì)，碳元素也以五花八門的形式存在其中，“煤炭當(dāng)中含有成千上萬(wàn)種分子結(jié)構(gòu)，分子重量和處理的難易程度各有不同。”他表示要想從煤中提煉液態(tài)的碳纖維原絲，可采用如下辦法：標(biāo)準(zhǔn)熱解法、氣化轉(zhuǎn)液化法、或是溶劑提取法（加熱加壓條件下）。
瀝青首先是各項(xiàng)同性的，通過(guò)進(jìn)一步熱處理和萃取能夠轉(zhuǎn)化為各項(xiàng)異性或者中間相的瀝青（碳原子排列更加有序）。
目前已投入商業(yè)使用的煤-瀝青基碳纖維，都是從品質(zhì)較高的冶煉用焦煤中提取的，因?yàn)殡s質(zhì)含量少，所以生產(chǎn)出的碳纖維品質(zhì)更高。Wyoming iPark公司研發(fā)主任Charlie Atkins表示說(shuō)。Atkins所在的公司與礦業(yè)公司Romaco Carbon LLC以及若干復(fù)合材料企業(yè)共同參與了一項(xiàng)由美國(guó)國(guó)家能源部資助、總投資600萬(wàn)美元的項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目標(biāo)是以多種低成本原料制備碳纖維原絲，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、比較、甄別和優(yōu)選，這其中包括產(chǎn)自懷俄明州的非精煉煤（Non-Coking Coal）。
“該項(xiàng)目的參與者雖然來(lái)自不同的行業(yè)和背景，但大家的目標(biāo)都是尋找非精煉煤的新的應(yīng)用方向，而我們優(yōu)先考慮的思路就是將煤轉(zhuǎn)化成碳纖維，其次是開發(fā)新的樹脂，然后是開發(fā)可用于3D打印的碳材料。”Atkins補(bǔ)充說(shuō)道，瀝青并不是他們唯一考慮的途徑，利用同樣富含碳元素的生物質(zhì)（例如糖）替代PAN基原絲同樣也在考慮范圍內(nèi)。
隨后，Ramaco礦業(yè)公司和WRI公司將獲得的原絲送往橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL），在那里將原絲轉(zhuǎn)化為碳纖維。同時(shí)，Advanced Carbon Products LLC公司擁有一條制備中間相瀝青基纖維原絲的試驗(yàn)線，制備成本大約在每磅1.5美元。它也會(huì)將原絲送往ORNL進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和纖維轉(zhuǎn)化。ORNL在旗下碳纖維技術(shù)中心對(duì)上述原絲進(jìn)行碳化處理。在此過(guò)程中，菲亞特克萊斯勒集團(tuán)、通用汽車、赫式復(fù)材、索爾維、哈泊國(guó)際、Autodesk等公司組成顧問(wèn)團(tuán)，為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供支持。其中，Autodesk公司和懷俄明大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院還為項(xiàng)目提供了專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件，幫助以最快速度發(fā)掘碳纖維在汽車領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
“我們的目標(biāo)并不僅僅是想證明，煤可以作為制備低成本碳纖維的原材料來(lái)源；我們還想在這許多種瀝青基原絲配方中找到最適合生產(chǎn)碳纖維的那一種或幾種。我們希望能更清楚的了解它們的分子結(jié)構(gòu)，這樣我們?cè)谠噲D制備具有特定性質(zhì)碳纖維的時(shí)候，能夠挑選出最合適的原絲配方。”
換而言之，有些瀝青基原絲剛度更高，另一些強(qiáng)度更高但是模量相對(duì)較低，諸如此類，不盡相同，就好像鋼鐵或其他金屬材料也會(huì)因?yàn)樵牧系牟町愌苌霾煌钠奉悺?ldquo;我們的目標(biāo)是為汽車行業(yè)提供盡可能全面的、更加具有針對(duì)性的碳纖維制備解決方案。”
Advanced Carbon Products LCC公司首席執(zhí)行官兼市場(chǎng)銷售副總裁Chris Boyer補(bǔ)充說(shuō)：“瀝青基碳纖維的性能足以滿足汽車行業(yè)的需求（彈性強(qiáng)度250-300Ksi，彈性模量25-50 Msi），其價(jià)格也可控制在可接受的每磅5美元之內(nèi)。”
猶他州（Utah）的嘗試
除此以外，來(lái)自猶他州立大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了類似的嘗試。他們于2016年10月發(fā)起了一個(gè)投資160萬(wàn)美元、為期三年的研究項(xiàng)目，目標(biāo)是研發(fā)低成本、低排放的煤-瀝青基碳纖維制備技術(shù)、評(píng)估其市場(chǎng)前景，同時(shí)振興猶他州的煤炭行業(yè)。該項(xiàng)目由化學(xué)工程教授Eric Eddings領(lǐng)導(dǎo)，受美國(guó)商務(wù)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)局資助，同時(shí)受猶他州先進(jìn)材料制備動(dòng)議法案的資助。
“目前設(shè)備已經(jīng)到位，過(guò)去數(shù)月中我們一直在制備瀝青。”Eddings解釋說(shuō)，“紡絲和碳化將在肯塔基大學(xué)進(jìn)行，由碳材料應(yīng)用能源技術(shù)中心副主任Matthew Weisenberger領(lǐng)導(dǎo)完成。”研究團(tuán)隊(duì)將在不同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便確定瀝青基碳纖維生產(chǎn)的最佳參數(shù)。不久前，利用猶他州自產(chǎn)煤炭生產(chǎn)的首批瀝青基碳纖維剛剛制備成功。
用低成本煤炭制備出的“最理想”的瀝青基材料究竟是哪一種呢？Eddings解釋說(shuō)：“那完全取決于其應(yīng)用領(lǐng)域。航空航天級(jí)別很顯然對(duì)纖維級(jí)別要求最高，因此也最為昂貴；汽車行業(yè)的話，則要進(jìn)一步考慮是用在什么部件的生產(chǎn)上。我們希望為每一種特定的應(yīng)用開發(fā)專屬的碳纖維材料。”對(duì)于非航空航天應(yīng)用領(lǐng)域而言，瀝青精煉的步驟可以簡(jiǎn)化甚至省略。Eddings表示說(shuō)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)目前正在對(duì)中間相瀝青和各項(xiàng)同性瀝青的性能做對(duì)比研究，以便找到各自適用的應(yīng)用領(lǐng)域。整體而言，各向同性的瀝青因?yàn)槌杀靖拥土?，可能擁有更寬泛的?yīng)用前景。
因?yàn)樯婕皩＠夹g(shù)的原因，很多細(xì)節(jié)我們無(wú)從得知。“我們的目標(biāo)首先是生產(chǎn)纖維，然后才是想辦法利用附屬產(chǎn)品。”
“我們希望能找到比PAN基碳纖維成本更低、而且強(qiáng)度/模量滿足要求的碳纖維制備方法。”Eddings總結(jié)說(shuō)，猶他州的煤炭行業(yè)急于找到新的應(yīng)用方向，煤-瀝青基碳纖維會(huì)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
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