近日，日本东丽株式会社公布了一项新专利“含有上浆剂的碳纤维束及其制造方法、碳纤维增强复合材料及压力容器”（公开号WO/2026/094759）。

该专利围绕纤维缠绕（FW）成型工艺中的碳纤维束控制展开，重点针对高压储氢罐制造过程中存在的毛羽、厚度波动以及树脂含浸不稳定等问题，提出了一套从纤维束形态、上浆剂体系到制造工艺的协同设计方案。

目前，高压储氢罐普遍采用纤维缠绕工艺制造。该工艺要求碳纤维束在高速通过导辊、张力杆等部件时，既能够保持稳定集束状态，减少毛羽产生，又需要具备一定开纤能力，以便树脂充分浸润纤维内部。这两项需求之间存在明显平衡关系：纤维束集束性过强，会影响树脂渗透；集束性过弱，则容易在缠绕过程中出现扭曲、厚度不均等问题。

针对上述问题，行业此前主要采用三类解决思路。一类是通过上浆剂中的润滑组分降低摩擦；一类是通过机械扩幅提高纤维束开纤程度；另一类则是通过表面氧化处理改善界面结合性能。但不同方案通常只能改善单一问题，同时也会带来新的影响。例如润滑剂可能降低界面结合力，机械扩幅容易导致纤维束形态不稳定，而强化表面处理则可能增加工艺复杂度并影响碳纤维本身强度。

此次东丽专利的特点，在于其将FW工艺中的加工稳定性直接纳入碳纤维设计指标体系，并提出多项可量化参数。

其中，一个核心指标是纤维束厚度控制。专利要求上浆后的碳纤维束厚度控制在0.10mm至0.20mm之间，同时厚度变异系数（CV值）低于6.5%。根据专利说明，纤维束过厚会影响树脂向内部渗透，而过薄则容易在开纤过程中产生局部间隙。此外，即使平均厚度符合要求，若厚度波动较大，也会导致缠绕层间出现不均匀区域，增加内部孔隙风险。

除厚度外，专利还提出“悬垂值（Drape Value）”作为纤维束柔硬程度的量化指标，并将其控制范围设定为6cm至9cm。专利认为，悬垂值过低意味着纤维束过软，在经过导辊时容易弯折和扭曲；悬垂值过高则意味着纤维束偏硬，更容易产生摩擦毛羽，同时树脂含浸性能下降。

在性能评价方面，该专利采用了双树脂体系测试方法。传统碳纤维性能测试通常采用标准环氧树脂体系，但实际FW工艺使用的树脂环境与实验室体系存在差异。东丽在专利中分别使用标准树脂体系与模拟FW工艺树脂体系进行强度测试，并要求两套体系下均维持较高强度水平，以评估碳纤维在实际成型条件下的性能一致性。

在上浆剂设计方面，该专利提出不使用环状含氧化合物，例如环氧基、噁唑啉基等结构。专利认为，这类组分在加工过程中容易发生交联反应，导致上浆剂粘度上升，从而影响树脂向纤维束内部渗透。为此，东丽采用不含上述结构的配方体系，并将30℃条件下的上浆剂粘度控制在500-1400mPa·s之间，以兼顾集束性与含浸性。

与此同时，专利还对上浆工艺进行了调整，采用“浸涂+热辊预干燥+热风干燥”的三步工艺。根据专利描述，热辊预干燥能够加快表层固化，而后续热风干燥则用于进一步去除残余溶剂，以提高上浆层均匀性。

除上浆体系外，该专利还对预氧化与碳化工艺进行了细化控制。

在预氧化阶段，专利采用两步预氧化工艺：首先在230-250℃区间进行初步预氧化，其后在265-285℃区间进行进一步反应。同时，专利引入红外光谱特征峰比值作为工艺控制依据，通过不同波数下的特征峰比例判断预氧化反应程度，以提高批次稳定性。

在碳化阶段，专利对低温碳化与高温碳化过程中的延伸倍率、升温速率以及最高温度范围进行了限定。专利认为，升温速率过快可能导致裂解气体释放不均，从而在纤维内部形成缺陷；升温过慢则可能影响碳层结构取向。

整体来看，这项专利并未单独强调碳纤维极限强度提升，而是更多围绕FW工艺中的稳定性与一致性展开。其重点在于通过对纤维束形态、上浆剂状态以及制造工艺参数的联动控制，降低缠绕过程中出现毛羽、厚度波动及含浸不均等问题的概率。

从技术路径上看，该专利体现的是碳纤维材料设计与复合材料成型工艺之间进一步耦合的发展方向。相较于过去主要围绕单丝强度和模量进行优化的思路，这类方案更关注材料在实际复合材料制造过程中的加工适应性与稳定性。

来源： Carbontech