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　　碳纖維很難生產(chǎn)，但應(yīng)用很廣。你可以輕易地找到碳纖維各式各樣的應(yīng)用，但是關(guān)于碳纖維的核心制程很少揭露，原因是碳纖維的前驅(qū)物通常是合成出來的，每一種前驅(qū)物都是大企業(yè)的獨(dú)門秘方。

　　「炭」與「碳」到底差別在哪？令人有些困惑！如果不那么考究，筆者的見解是：早期常用炭，現(xiàn)今常用碳，傳統(tǒng)的技藝常用炭，現(xiàn)今的科技常用碳。再者，若聽到外國人說「charcoal」，那八成是炭；如果聽到「carbon」，那鐵定是碳。碳纖維（Carbon fiber）是近百年的科技顯學(xué)，科技人知道碳纖維如何使用，但不見得知道碳纖維如何制造。在談?wù)摗柑祭w維原本不是一根碳」之前，先說明「木炭與煤炭原本也不是一塊炭」。

　　前不久，看到一則報(bào)導(dǎo)：日本熊本鬧區(qū)大火延燒了20棟木造老房子，而從祝融之后的景象可看見，木造梁柱都變成了炭梁炭柱，不過它們的型態(tài)依舊。既然木造梁柱都是上乘好材（例如櫸木、檜木），當(dāng)然可以說那些炭梁炭柱也是木炭，只是未經(jīng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏囟扰c氣氛掌控下所形成的木炭。所有的木質(zhì)素在燃燒的過程中若供給大量的氧氣，木質(zhì)素都會(huì)燒成了「灰」，灰可以說是木質(zhì)素在轉(zhuǎn)換成碳素時(shí)過度燃燒的產(chǎn)物。舉凡植物都含有木質(zhì)素，例如竹子、椰子殼、棉花等。

　　知道木質(zhì)素系（例如：橡木、孟宗竹、椰子殼）如何燒成炭之后，碳纖維如何燒出來就不難想像了。常聽到的備長(zhǎng)炭就是用橡木燒制成的炭，其他如：竹炭就是用孟宗竹在窯爐內(nèi)燒制成的炭，椰子殼燒制成的炭叫做椰殼炭。橡木、孟宗竹、椰子殼同屬木本質(zhì)素系，它們都是炭或碳的前驅(qū)物。這些前驅(qū)物的炭化是不可逆的，也就是以現(xiàn)在的科技來說，竹炭是不可能再還原成孟宗竹，因?yàn)橹裉渴敲献谥窠?jīng)過化學(xué)反應(yīng)徹底質(zhì)變的結(jié)果。

　　燒炭工藝再怎么傳統(tǒng)，除了薪材的本質(zhì)好與壞之外，不外乎是溫度控制與氣氛控制。燒炭的過程絕對(duì)是欲速則不達(dá)的制程，當(dāng)木質(zhì)素加熱到高于熱解溫度時(shí)，從攝氏200～400度時(shí)就開始分解出揮發(fā)性的氣體，這時(shí)空氣中的氧需求量較高，稱為氧化反應(yīng)。接著，隨溫度逐漸升高（最高溫度約攝氏1,000度），必須非常小心地調(diào)節(jié)空氣，以避免氧氣太多而燒成灰，這就是碳化反應(yīng)。在高溫下反應(yīng)后所留下來的碳成分通常必須超過70％以上，在本質(zhì)上這當(dāng)然與原來的木質(zhì)素只有約30％的碳有很大的不同。

　　聽說過煤炭也是植物炭嗎？煤炭的形成是遠(yuǎn)古森林或沼澤的植物在分解之前就被埋在地底下沉積而成。因?yàn)殚L(zhǎng)期處于較高的地層溫度和壓力下，木質(zhì)素用數(shù)萬年的時(shí)間慢慢地轉(zhuǎn)換成碳質(zhì)。遠(yuǎn)古植物遺骸埋在地層下，經(jīng)過泥炭→褐煤→煙煤→無煙煤的「熟成」之后，碳質(zhì)越來越高，甚至可以從無煙煤轉(zhuǎn)化成石墨結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格說來，煤炭是植物經(jīng)由地?zé)?、高壓等環(huán)境的作用下產(chǎn)生的化石。因此地底層可以說是一座又一座的地下窯爐。經(jīng)由上述的說明，當(dāng)然可以說木炭、煤炭原本不是炭，是木質(zhì)素系的化合物。

　　這得從英國的工業(yè)革命說起。六十多年以前的倫敦霧霾就像現(xiàn)在北京的天空，不但能見度很低，也造成英國史上最嚴(yán)重的公害事件之一。霧霾成因是大量煤炭燃排所致，當(dāng)時(shí)倫敦政府的報(bào)告指出：霧霾導(dǎo)致數(shù)千人死亡，近十萬人受到呼吸道疾病影響。大致說來，優(yōu)質(zhì)煤含碳高，劣質(zhì)煤含碳低、雜質(zhì)多（例如氮、硫化合物），因此燃燒后形成硫化物、氮氧化物等有害物質(zhì)。劣質(zhì)煤其實(shí)就是地層的窯爐碳化反應(yīng)不完全所致，優(yōu)質(zhì)煤因碳化反應(yīng)完全，碳量高（90％以上），雜質(zhì)含量較低。

　　談到煤的品級(jí)，是根據(jù)煤的發(fā)熱量、灰分（不能燃燒的部分）、含硫氮量等因素而定。例如做為燃料，含硫高的燃燒會(huì)產(chǎn)生二氧化硫污染大氣，必須有脫硫的設(shè)備。煙煤就是生煤，直接做為燃料會(huì)產(chǎn)生黑煙，造成大氣污染。無煙煤質(zhì)硬，含碳量最高（92％以上），是優(yōu)質(zhì)煤。泥煤是泥狀物質(zhì)，含碳量低（60％以下），其余40％是雜質(zhì)，燃燒時(shí)發(fā)煙量最多。

　　碳纖維

　　前面介紹了木炭與煤炭，相信大家不再懷疑炭或碳是在一定的溫度─壓力─氣體環(huán)境下孕育出來的。碳纖維這門技術(shù)是高科技的代名詞，嚴(yán)格說來，碳纖維很難生產(chǎn)，但應(yīng)用很廣，你可以輕易地找到碳纖維各式各樣的應(yīng)用，但是很少揭露關(guān)于碳纖維的核心制程。原因是碳纖維的前驅(qū)物通常是合成出來的，每一種前驅(qū)物都是大企業(yè)的獨(dú)門秘方，歹竹（不好的前驅(qū)物）出不了好筍（優(yōu)質(zhì)的碳纖維）。

　　全世界的碳纖維90％以上的前驅(qū)物來自聚丙烯腈系，而前驅(qū)物來自于瀝青系與纖維素嫘縈系的則不足10％。大體上，三者仍有各別的特性分野，還不致彼此競(jìng)爭(zhēng)。高強(qiáng)度需求者的原料以聚丙烯腈系纖維為主，高模數(shù)者則采用瀝青系纖維，特殊多孔化纖維則以嫘縈系纖維為主。

　　把聚丙烯腈系纖維燒成高強(qiáng)度的碳纖維，其過程必須經(jīng)過穩(wěn)定化（或稱氧化）的重要步驟。穩(wěn)定化過程主要有3種反應(yīng)，分別是：環(huán)化反應(yīng)、脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)。接下來的碳化過程是穩(wěn)定化后，聚丙烯腈母材纖維在惰性氣體中，且溫度高至攝氏1,500度的條件下進(jìn)行熱處理。在熱處理過程中除了碳元素外，其他元素幾乎都以副產(chǎn)物的型式被除去而形成像石墨的結(jié)構(gòu)。

　　聚丙烯腈系纖維的石墨化是指碳化反應(yīng)后的纖維，增加微晶的尺寸可使得碳纖維結(jié)晶更完整。但微晶的規(guī)則排列則需借助纖維在攝氏1,500度以上的熱處理，例如把溫度控制在攝氏2,000～2,500度，甚至高至攝氏3,000度。不過，聚丙烯腈系纖維的前驅(qū)物中必須含高純度的丙烯腈，才能練就優(yōu)質(zhì)的氧化、碳化甚至石墨化的纖維。

　　殊途同歸

　　真的是殊途同歸，「途」者前驅(qū)物制程也、「歸」者碳也。碳纖維的前驅(qū)物不管是聚丙烯腈系、嫘縈系或?yàn)r青系，這些纖維聚合制程完全不同，但經(jīng)高溫制程之后就變得非常相似，因?yàn)樗鼈兌甲兂闪颂嫉睦w維。碳纖維的高溫制程是類似的，首先是氧化制程，在可掌握的氧氣供給與可溫控的環(huán)境（攝氏200～400度）中進(jìn)行，隨后在惰性氣體保護(hù)下，以攝氏900～1,500度的高溫趕走碳以外的物質(zhì)，最后加熱到攝氏～3,000度而形成石墨化碳纖維。

　　聚丙烯腈系碳纖維的性能好，產(chǎn)率較高（約60％），因此聚丙烯腈系的碳纖維約占總碳纖維產(chǎn)量的90％以上。嫘縈系碳纖維的產(chǎn)率只有20％，瀝青系碳纖維的產(chǎn)率約70％以上，成本最低，很有潛力發(fā)展低強(qiáng)度高模數(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用。不管是哪一種系統(tǒng)的碳纖維，每一階段的產(chǎn)出物都是很好的商品，例如在氧化階段（攝氏300～350度）制得耐燃纖維，在碳化階段（攝氏1,000～1,500度）制得碳纖維，碳纖維再經(jīng)攝氏2,000度以上高溫處理可以制得石墨纖維，含碳量高達(dá)99％以上，是航太用級(jí)的材料。