技术 | 木材纤维是个什么东西？真能替代碳纤维？
目前，可以用作飞机和汽车主要材料的碳纤维备受世人关注。但可能取代碳纤维的“后碳纤维时代”的开发也在悄然进行。
有希望成为未来主角的是被称为纤维素纳米纤维（CNF）的“木材纤维”，生产成本只有碳纤维的六分之一。为了揭开“木材纤维”的面纱，日本经济新闻（中文版：日经中文网）联系了多家开发该纤维的企业，但是大部分都选择避而不谈。
未来主角登场
最终，“日本制纸”接受了日本经济新闻（中文版：日经中文网）的采访。该公司CNF事业推进室的河崎雅行室长表示：“CNF的原料是木材，但是却比铁更硬更轻”。“请看这里，看起来只是普通的液体，但其实这是CNF”，河崎拿着烧杯说。烧杯中装有稠糊状的液体。实在难以相信它比铁更硬。将普通的树木切碎成相当于原来千分之一大小的木材碎片，然后将木材碎片加工成纸浆，之后进一步将纸浆分解成千分之一大小的木材纤维。到这里的加工工程与制纸方法没什么区别。
放大观察木材纤维会发现，它由无数的纳米纤维束构成。添加名为“TEMPO”的化学试剂可将成束的纳米纤维分解成1根1根的纤维。1根纳米纤维的直径仅为3～4纳米，相当于人类头发丝的两万分之一。
虽然从表面上来看不会给人以强度很高的感觉，但实际上1根1根的纤维非常结实。将纳米纤维聚合在一起，强度将超过铁。河崎室长对日本经济新闻（中文版：日经中文网）表示，“树木之所以能够长到几米高，靠的正是纤维的支撑”。据称纤维素纳米纤维（CNF）的强度可达到钢铁的5倍，与碳纤维相当。而生产纤维素纳米纤维（CNF）的关键在于如何将1根1根的纤维聚合到一起，以及与什么材料混合。不仅限于此。由于其透明且耐热，如果被用于智能手机等，就能够低价制造弯曲型的液晶面板。此外，还具有难以透过氧气的性质，如果用作食品的包装材料，里面的食品就能长期保质。此外，纤维素纳米纤维（CNF）还能够弯曲，而且密度只有钢铁的五分之一。简直称得上理想的新材料。日本制纸已经开始携手树脂和化工企业稳步推进共同开发。
成本为碳纤维的六分之一
碳纤维也是原发自日本的新型材料，由东丽1971年在全球首次成功实现量产。作为替代钢铁和铝的材料，碳纤维被广泛用于飞机、火箭和医疗器械等。东丽日前从美国波音获得了1万亿日元的飞机碳纤维复合材料订单。但是，在汽车等其他领域的应用仍未取得重大进展，原因在于生产成本高昂。
碳纤维的价格一般情况下为每公斤3000日元（约合人民币160元）。纤维素纳米纤维（CNF）可以在常温下加工，据此将减少在生产过程中使用的能源，每公斤有可能降至500日元以下。河崎室长对日本经济新闻（中文版：日经中文网）表示，“如果实现量产，价格将进一步下降”。如果用作飞机和汽车等各种交通工具的零部件，能够减轻重量、提高燃效以节约燃料。
用于汽车保险杠和外板等的聚丙烯和尼龙树脂的成分主要为玻璃纤维，如果将其更换为纤维素纳米纤维（CNF），每辆汽车的重量可以减轻25%。
日本掌握主导权
在日本之外，欧美企业纷纷致力尝试将大学等的研究成果实用化，相继开始打造试制品的制造设备。不过，作为提取纤维的方法，欧美企业的技术主要是利用机械磨碎木材纤维。纤维的宽度难以保持均一，河崎室长对日本经济新闻（中文版：日经中文网）表示，“这很难充分发挥木材纤维的特性”。与此相反，日本企业有能力通过TEMPO将其分解为宽度均一的纤维，“巧妙运用技术是日本的看家本领。日本或能够掌握主导权”。
看完之后苏格拉伟觉得该生产工艺好熟悉啊，这不是黏胶基碳纤维生产工艺的前半部分吗？黏胶基碳纤维就是将木材、棉等植物粉碎、溶解提炼出纤维素，之后才进行纺丝、预氧化、碳化等工艺。这篇文章介绍的木材纤维的制备工艺恰恰是纳米级的纤维素原纤。黏胶纤维的基本结构单元也是纤维素啊，难道这里面还有不为人知的秘密？
苏格拉伟决定找文章的来源，看到了，是《日经新闻》，果断找到其网站。
找到了，不过不能看全文，需要注册，苏格拉伟立志不给日本人留下个人任何信息，果断拒绝。突然发现信息来源是“日本制纸”接受了采访，这不是日本最大的造纸企业“日本造纸集团”嘛。打开网页...
这个制品情报就是我们国内企业网站上常见的产品目录了，点进去一看：
果然在这里，纤维素纳米纤维，后边赫然写着开发品。显然还是正在处于开发阶段嘛，还没出正式产品，这么着急就接受采访了，跟国内有些碳纤维厂商吹牛逼的性格很像。看前面黑洞洞，定是那贼巢穴，待俺赶上前去，杀他个干干净净……继续打开网页：
给大家大致翻译一下吧，纤维素纳米纤维是从木材纤维中提取，对微结构进行优化的百分之几微米的纳米级别的纤维。纤维素纳米纤维是世界上最先端的生物质材料。因为纤维素纳米纤维是从植物纤维中提取，对环境的影响非常小。其具有重量轻特点，并且与芳纶纤维的弹性模量在同一个水平，而芳纶纤维是一种强度极高的纤维，热膨胀系数与玻璃在同一水平。纤维素纳米纤维还具有隔离氧的作用。日本造纸集团2013年11月在岩国市建立了试运营的工厂，开始用化学处理方法生产纤维素纳米纤维。
这里面有三个信息，第一是模量，与芳纶同一水平，那就是100多GPa;第二是热膨胀系数与玻璃相当，那就是8~10*10-6/℃ ；第三是具有隔离氧的功能，我没看到这个性能的用途。不过看来日本造纸集团是动真格的了，开始有工厂和设备的建造了，下边有两个链接，下边一个没什么内容，就是写的2013年2月开始决定建设工厂生产纤维素纳米纤维，2013年11月在岩国市设立的工厂投入试运营。重要的是上边那个链接，是关于该项目的研究介绍：
大致翻译一下，可以看出介绍中只有特点而没有具体参数，没有具体参数就没办法对比了。那么回到最初的新闻中提到强度与碳纤维相当，那就以通用级T700碳纤维的4900MPa说吧，价格是500日元以下，那就是35-40元一公斤的价格。
到这里我们就拼接处纤维素纳米纤维的基本信息了。它是一种从木材中提取的纳米级生物质纤维，强度为4900MPA（我估计它远远达不到），模量为100多GPa，热膨胀系数8~10*10-6/℃，价格为35-40元每公斤。
很明显吧，看看强度，看看模量，纤维素纳米纤维号称替代碳纤维，可目前也仅仅是强度能达到通用级碳纤维T700的水平，模量还差得远呢。原来我曾经转发过沈真老爷子的一篇文章《你真的了解碳纤维吗，中国碳纤维产业何去何从》，在微信平台的9月12号发出来的，有兴趣的可以看一看，里面有这么一段话：
作为结构材料，碳纤维相比其他材料的主要优势是具有高比刚度，因此其主要应用对象应是同时具有减重和变形要求的结构。结构设计的经验表明，采用现有碳纤维无法实现更多减重的瓶颈是其弹性模量，因此具有更高弹性模量的碳纤维是发展的趋势，若成本可以接受，所有的用户为获得更多的减重，愿意使用具有更高弹性模量的T800。目前的设计实践还表明，绝大部分碳纤维复合材料产品（包括飞机结构、风机叶片、建筑补强、电缆芯，甚至自行车、钓鱼竿、羽毛球拍、网球拍等），由于变形和其他约束，其设计应力水平很低，强度余量通常不低于3（除了局部连接区外），特别是民用结构，强度余量甚至可以达到10以上，碳纤维的强度有非常大的余量，T300的拉伸强度就已经绰绰有余，T700S的高强度通常是没有意义的
也就是说就目前所用的增强材料而言，碳纤维的强度余量非常大，可能还用不了它强度的十分之一，其实它是个长板。而制约其应用的是模量，这个是短板。所以纤维素纳米纤维强度达到碳纤维水平没什么太大意义，如果模量达不到，就没有替代碳纤维的意义。
好了，至此为止，也看出来了，纤维素纳米纤维虽然具有很好的强度，但是要替代碳纤维是不可能的，至少短期是不可能的，苏格拉伟这下不用担心饭碗了，继续努力从事碳纤维事业。不过纤维素纳米纤维具有非常好的性能，价格还便宜，使用的是可再生资源，环境优化，诸如此类的优异特点，使纤维素纳米纤维具有和玻璃纤维、芳纶纤维竞争的优势，市场或许有其立足之地。
如果你需要沈真老爷子的那篇文章，直接回复“沈真”获取。另外关于纤维素纳米纤维的一份资料，我还是会上传到百度网盘进行分享。获取下载链接，直接在微信平台回复“资料”。如果你需要和苏格拉伟做朋友，那就加我的微信吧。微信号：zahawe.
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