传统聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产工艺长期面临有机溶剂毒性、高能耗及大量二氧化碳排放等环境挑战。最新研究成功开发出水溶性聚丙烯酰胺（aqPAM）前驱体技术，通过引入磷酸催化剂实现热稳定化时间缩短至传统工艺的六分之一，碳产率提升至96.8%，为碳纤维绿色制造开辟了全新路径。
碳纤维作为轻质高强的战略性材料，在航空航天、汽车制造、新能源装备等领域具有不可替代的地位。然而，全球90%以上的碳纤维生产依赖PAN前驱体，该工艺需使用二甲基亚砜等有毒有机溶剂，热稳定化过程需在200至300摄氏度下持续60至90分钟，能耗占生产成本的37%，二氧化碳排放量更是钢铁生产的12倍。这一现状严重制约了碳纤维产业的可持续发展。
针对上述技术瓶颈，研究团队创新性地采用水溶性聚丙烯酰胺作为前驱体材料。与传统PAN工艺相比，aqPAM在水中可实现近100%的聚合产率，干纺过程仅需蒸发水分，完全避免了有机溶剂的使用。这一变革性技术不仅消除了有毒溶剂带来的环境风险，还大幅简化了生产流程，聚合物产率提升至97%以上。
研究的核心突破在于磷酸催化体系的引入。纯聚丙烯酰胺直接碳化时碳产率仅为15.1%，远低于PAN的64.7%。通过添加磷酸作为催化剂，不仅加速了酰胺基团的环化反应，形成耐高温的戊二酰亚胺环，还促进了腈基的生成。当丙烯腈含量为25摩尔百分比并添加2.9重量百分比磷酸时，碳产率提升至85%；进一步优化形成三元共聚物后，碳产率最高可达96.8%，显著优于传统PAN基工艺。
热稳定化工艺的革命性进步是该技术的另一亮点。传统PAN热稳定化需在240至270摄氏度下维持75分钟，而aqPAM体系在350摄氏度下仅需10分钟即可完成稳定化。这一飞跃得益于磷酸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，生成氨气和水，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，二氧化碳排放相对指数从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。
力学性能测试表明，aqPAM基碳纤维具有与PAN基碳纤维相当的性能水平。当使用优化配比的三元共聚物并经330摄氏度稳定化12分钟后，aqPAM基碳纤维的拉伸强度达3.19吉帕，拉伸模量为229吉帕，接近商业PAN基碳纤维水平。拉曼光谱显示，其ID/IG比值低至0.9至1.0，表明形成了高度有序的类石墨结构。
该技术的产业化前景广阔。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；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基碳纤维，验证了工艺的可扩展性。
