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国内首家!上海石化掌握大丝束碳纤维生产技术

日期:2022-09-02 04:38:42 来源:足球世界杯押注 作者:可以押注的软件

  中石化上海石化研发试产的大丝束碳纤维是一种含碳量95%以上的高强度新型纤维材料,其力学性能优异,比重不到钢的四分之一,强度却是钢的7-9倍,并且还具有耐腐蚀的特性,被称为“新材料之王”,也被称为“黑黄金”。图片来源:中国石化微信公号 ▲

  有一种新材料,粗细只有头发丝的十分之一,强度却是钢的7-9倍,在现代国防军工等重要领域都不可或缺,这就是碳纤维。

  日前,中石化上海石化对外宣布了一项重磅进展:国内首套大丝束碳纤维生产线在上海完成中交。此次中交的一阶段工程实现全部设备国产化。这意味着上海石化是国内首家、全球第四家掌握大丝束碳纤维生产技术的企业。

  48K大丝束碳纤维听起来可能比较陌生,然而小到钓鱼竿、羽毛球拍,大到飞机外壳、风力发电扇叶,都有它的身影。这一技术以前只能依赖进口,而现在,通过多年攻坚克难,改变了这一局面。2021年1月4日,上海石化1.2万吨/年48K大丝束碳纤维项目正式开工建设,总投资达35亿元。

  碳纤维是由聚丙烯腈(PAN)基、沥青基、粘胶基纤维等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主链结构无机纤维。

  碳纤维可以分为大丝束与小丝束两类。按照碳纤维中单丝根数与1000的比值命名,1K代表一束碳纤维中有1000根丝。

  大丝束碳纤维一般是指丝束数量大于等于48K(早期为24K,后随着丝束的不断增加标准上升)。大丝束碳纤维包括48K、50K、60K、75K、80K、120K、240K和480K等产品,其主要应用领域包括风电、土木建筑和交通运输等。

  小丝束碳纤维一般包括1K、3K、6K、12K和24K等产品,其主要应用领域包括特殊装备、体育用品和渔具等。

  48K大丝束最大的优势,就是在相同的生产条件下,可大幅度提高碳纤维单线产能和质量性能,并实现生产低成本化,从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。

  相比小丝束,大丝束碳纤维在相同的生产条件下可大幅度提高单线产能,但碳纤维的产能和丝束大小呈非线性关系,原因是大丝束直径较宽,单位宽度的轧辊可加工的丝束数量少。

  此外,大丝束碳纤维通常意味着其前体原丝的长度较短,在卷轴重量一定的情况下, 频繁的重置和预热会额外增加停机时间,降低效率,因此碳纤维的产能和产率在48/50K达到峰值后下降,单位人工成本同理下降并在48/50K达到最低点。但原丝、能耗、折旧的单位成本会随丝束增大一直下降。整体上看,碳纤维的单位生产成本随丝束增大而降低,在达到48K后基本稳定。

  在工业应用领域,大丝束碳纤维的性能能够满足需求,价格优势明显,以SGL公司生产的T300 级大丝束碳纤维C30 T050-50K为例,其性能参数均超过日本东丽公司生产的 T300 级小丝束碳纤维,而售价仅为东丽的10%左右。高性价比能够帮助碳纤维在风电叶片、储氢瓶、汽车、轨道交通等重视成本控制的应用领域提高渗透率。广州赛奥预测,2030年碳纤维在这些领域的全球需求将达到51万吨以上,而2020年需求仅为5.8万吨。

  碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料,质量仅仅是钢的四分之一,力学性能却十分优异,“轻而强”,还具有耐高温、耐腐蚀等特性,被誉为世界新材料“皇冠上的明珠”。

  碳纤维应用场景非常广泛,无论是国防军工、航空航天,还是能源装备、交通设施以及体育用品等众多商业领域,都能看到它的身影。

  例如,北京冬奥会上,上海石化生产的碳纤维产品跟随火炬“飞扬”就出现在世人眼中。

  这是全球首次实现以碳纤维复合材料制作奥运火炬外壳,解决了氢燃料燃烧时火炬需要耐高温的技术难题,使其具有“轻、固、美”等特点,能够实现在高于800摄氏度的氢气燃烧环境中正常使用。

  值得一提的是,1969年,日本就成功开发出高性能碳纤维,此后长期以来核心技术都主要掌握在美、日企业手中,并被严格垄断,不允许对中国的技术转让和设备出售,产品出口也限于低端民用领域。

  但对世界各国来说,想要发展国防尖端技术,升级改造传统产业,都要依赖碳纤维所提供的物质基础作为支撑。而庞大的中国市场,需求量更是十分旺盛。

  不过,要制备碳纤维,需经过一连串极其漫长复杂的工艺流程。大丝束碳纤维的制备技术主要存在以下几个难点:

  一是生产环节的技术难度更大。相比小丝束,在原丝、聚合、预氧化、碳化等多个系统环节,大丝束碳纤维的制备技术都更难。

  比如,生产1k、3k的小丝束碳纤维的一个喷丝板上会有1000个、3000个孔,但生产是50K大丝束碳纤维的一个喷丝板上会有50000个孔,这本身就具有一定的挑战性。

  二是生产50k大丝束碳纤维,就要求一个喷丝板上50000个孔里喷出来的每根丝的均匀度都一样,相比小丝束碳纤维难度基数大了好几倍。

  三是毛丝问题通常伴随着纺丝过程一直存在,企业要做的是将毛丝的占比控制在合理范围内。但是同样比例的毛丝占比,换到大丝束碳纤维就使毛丝看上去比较明显。因此,如何控制好大丝束碳纤维的毛丝占比是个大难题。

  四是大丝束碳纤维原丝生产出来后,在碳化环节还将面临不少新挑战。比如,毛丝的问题在原丝上体现的可能并不明显,但在碳化环节有可能会凸显出来,因为在碳化环节会发生剧烈的化学反应,有可能会导致纤维分子结构中的某些键断裂等现象发生。

  除大丝束碳纤维制备上面临很多困难之外,大丝束碳纤维丝束较粗,不宜均匀展开,使得单层厚度增加,不利于铺层设计,因此大丝束碳纤维在制作预浸料时会出现粘连、断丝现象,使得复合材料的性能降低,性能出现不均匀。大丝束碳纤维单层厚度较大,导致树脂不容易浸透纤维束内部,从而使单纤维间出现孔隙,纤维与树脂间容易出现分离现象,不利于界面黏结,树脂在纤维束内部容易出现富集。

  为解决这些问题,目前,国内外开发了大丝束碳纤维薄层化技术,这种技术能很大程度地减少这种问题的产生。薄层化处理后大丝束碳纤维束厚度变薄,纤维在预成型体中分布更加均匀,预成型体渗透率降低,但均匀性却提高;薄层化处理后大丝束碳纤维增强树脂基复合材料内部缺陷减小,纤维/树脂分布更加均匀;复合材料弯曲模量和弯曲强度出现不同程度提高,性能均匀性更好。

  2012年9月,上海石化自行开发的国内独有的NaSCN(硫氰酸钠)湿法工艺和自主知识产权的成套技术。

  2018年1月,形成了千吨级PAN基48K大丝束碳纤维成套技术工艺包,3月试制出48K大丝束碳纤维并贯通工艺全流程,同年5月,装置已累计生产原丝4286吨,生产碳纤维709吨。

  2020年上海石化拟投入约35亿元人民币建设2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年48K大丝束碳纤维项目。

  难得的是,目前国内大部分PAN基碳纤维纺丝,都要进口日本东丽的DMSO溶剂,而上海石化是在国内独有的NaSCN(硫氰酸钠)湿法工艺和自主知识产权的成套技术基础上发展的大丝束产品,独创性更加彻底。

  据了解,上海石化研发试产的大丝束碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料,被称为“新材料之王”,也被称为“黑黄金”。

  目前,中国石化碳纤维技术拥有自主知识产权,共获得相关专利274项,授权165项,排名国内第一、全球第三。

  上海石化党委书记万涛表示,项目建成投产后将提高原丝及碳纤维的单线产能,有力降低碳纤维生产成本,改善中国大丝束碳纤维全部依赖进口、长期供不应求的局面,推动国产碳纤维产业高质量发展,助力中国制造转型升级,跻身世界前列。

  有观点认为,中国碳纤维行业正处于快速发展阶段,根据目前各企业已宣布的投资扩产计划,若所有建设项目可以顺利投产落地,“十四五”末期,中国新增碳纤维产能将达 21 万吨以上,其中新增大丝束碳纤维产能达 17.6 万吨,中国大丝束产能扩张时代将随之开启。据广州赛奥统计, 2020 年中国大丝束产能仅 0.83 万吨,结合“十四五”期间所有大丝束项目顺利投产落地的新增产能,2025年国内大丝束产能有望达18.4万吨,则2020-2025年大丝束产能CAGR为+85.9%。

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