【原创资讯】日本东丽新型多孔碳纤维：可渗透、优异的吸附与导电性
2019年11月中旬，总部位于日本东京的东丽工业株式会社宣布成功开发出全球首款具有连续、纳米/微米级孔隙结构的多孔碳纤维，并希望在未来五年内实现商业化。
新型多孔碳纤维（左上方）在整个纤维上具有可控的纳米或微米级孔隙结构（右上方）。该型碳纤维内部的连续多孔结构可使其成为高效的过滤介质，并可作为气体分离膜的支撑结构。因此，该产品的潜在应用是在气体分离技术中使用，如用于分离二氧化碳（CO2）、沼气、氢气和其他气体。
此外，由于碳材料具有优异的化学过滤和物理吸附特性，而且是有效的热和电导体，因此多孔碳纤维还可用于先进的电池系统和化学处理中的催化剂载体。
目前已经有大型设施用于气体分离，但这些设施本身就消耗大量能量并造成大量的CO2排放。因此，具有发展潜力的气体分离是采用更具环境可持续性的材料或工艺，如采用纳米多孔膜进行气体过滤，可大大减少能耗。
而东丽公司的新型多孔碳纤维产品可以通过提高现有气体分离膜的性能，使膜更薄、更轻、更紧凑、性能更好，从而解决这一问题，并有潜力用于燃料电池的制氢。
纳米/微米级孔结构过滤材料并非新概念，已有不少聚合物可用于生产纳米级多孔扁平膜和纳米多孔纤维，这些聚合物大多以热塑性聚合物为主，如聚醚砜（PES），聚砜（PSU），聚偏二氟乙烯（PVDF），聚四氟乙烯（PTFE）和醋酸纤维素（CA）等。
纳米多孔过滤材料的典型应用包括高性能滤水器（用于工业用水和饮用水）、饮料和食品过滤（用于改善颜色、气味或味道）、医用过滤器（用于血液分离和血液透析）、工业气体分离（广泛适用于各种领域，如化学和石化，电力，采矿，炼钢，医疗，化肥生产，环境保护，电子和航空航天）。
根据应用领域的需求，按照孔隙结构尺寸可以分为不同种类，如微孔的尺寸大约为0.1微米，超滤的尺寸为0.01微米，纳滤的尺寸为0.001微米，反渗透的尺寸为0.0001微米。
对于高性能过滤材料，其关键技术包括：良好而广泛的耐化学性，需要同时对被分离的材料和次氯酸钠（用于清洁膜的常用消毒剂）均具有抵抗力；良好的机械强度，因为大多数过滤器需施加高压来使固体、液体和气体分离；优异的渗透性；污垢少，从而可保持膜清洁，以实现高效性和长期运行。
活性炭是一种带有少量小孔的碳形式，可通过增加表面积来提高物理吸附或化学反应。由于原子碳提供了充足的空轨道，并且活性炭的表面积增加，因此该材料可以成为捕获和吸附多种活性物质的有效介质。
然而，由于活性炭基本上是固体结构，因此其渗透功能主要局限于基材的表面，而且其过滤功能主要以物理吸附为主，从而限制了对不同种类和体积物质的有效分离。
对于日本东丽的多孔碳纤维而言，微孔在纤维整个结构中都是连续的，这就意味着用这种材料制成的产品既可以物理吸附，也可以化学过滤。通过利用原子碳的吸附特性，纳米多孔碳纤维可用于高性能电池中的电极材料和催化剂载体。而且，所有固体形式的碳既是良好的导热体，又是良好的导电体，这些特性在某些应用中可能会有用。
按照东丽公司报告说，新型多孔碳纤维产品中无论它们产生的是“实心”多孔纤维还是空心多孔纤维，内部孔径（微米级至纳米级）和横截面孔形都是可控的。由于碳纤维已经经过高温碳化处理，因此它的化学结构稳定，并且非常坚硬和坚固。因此在生产更坚固、更紧凑的气体分离膜时也可以利用这些特性。
2019年12月11日，东丽为即将建设新的未来研发创新中心举行了剪彩仪式。目前东丽公司已经在与多个伙伴合作来推动先进气体分离膜的商业化。相关研究团队指出，它已经开发出一种新型的气体分离膜的概念，并结合东丽的多孔碳纤维作为支撑层和气体分离层。
（来源composites world，本公众号编译）