大絲束“黑黃金”破繭而出

 

       碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量新型纖維材料。其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的1/4，強(qiáng)度卻是鋼的7—9倍，并且還具有耐腐蝕性、高模量的特性，被稱為“新材料之王”，也被稱為“黑黃金”，在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。在碳纖維行業(yè)內(nèi)，通常將每束碳纖維根數(shù)大于48000根(簡(jiǎn)稱48K)的稱為大絲束碳纖維。目前，國(guó)內(nèi)每束碳纖維基本處于1000根(1K)～12000根(12K)之間，稱為小絲束。48K大絲束最大的優(yōu)勢(shì)，就是在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能和質(zhì)量性能，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價(jià)格帶來(lái)的應(yīng)用局限。

 

 

　　48k碳纖維大絲束

 

       據(jù)上海石化腈綸部總工程師黃翔宇介紹，從12K小絲束到48K大絲束，并不是把噴絲口數(shù)量從1.2萬(wàn)個(gè)放大到4.8萬(wàn)個(gè)這么簡(jiǎn)單，中間要走過(guò)一條十分艱難的攻關(guān)之路。而上海石化經(jīng)過(guò)“10年磨一劍”的潛心研發(fā)和刻苦鉆研，創(chuàng)造了這一條件。可以說(shuō)，從12K到48K的成功突破，標(biāo)志著上海石化碳纖維技術(shù)從量變到質(zhì)變的飛躍，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，而且達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，這將對(duì)“上海智造”工業(yè)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

      

       自主研發(fā)，十年磨一劍上海石化是國(guó)內(nèi)特大型煉化一體化企業(yè)之一，也曾是國(guó)內(nèi)最大的腈綸生產(chǎn)企業(yè)。依托腈綸產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，該公司早在上世紀(jì)八十年代就率先開(kāi)展對(duì)碳纖維的交流調(diào)研和技術(shù)研究工作。2007年，中國(guó)石化決策部署PAN基碳纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)工作，并將建設(shè)項(xiàng)目落實(shí)在了上海石化。上海石化在中國(guó)石化、上海市的大力支持下，與上海石化研究院、上海工程公司、復(fù)旦大學(xué)等數(shù)十家科研院所、高校、企業(yè)等一起，走出了一條以企業(yè)為主體的“產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新之路，并憑借高校強(qiáng)大的基礎(chǔ)理論研究與企業(yè)的工程化技術(shù)開(kāi)發(fā)無(wú)縫對(duì)接，不“摸黑前行”，不“無(wú)謂模仿”，不“盲目試錯(cuò)”，在明確目標(biāo)的指引下，少走彎路，跨越鴻溝，取得了技術(shù)的積累。

 

       在各方團(tuán)隊(duì)的齊心協(xié)力下，碳纖維攻關(guān)快速推進(jìn)：2008年11月，建成中試裝置；2009年3月，成功研制出12K原絲。2012年9月，采用自行開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)獨(dú)有的NaSCN(硫氰酸鈉)濕法工藝和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，上海石化年產(chǎn)3000噸原絲、1500噸碳纖維項(xiàng)目一階段工程建成投產(chǎn)，形成了每年3000噸聚合物、1500噸原絲、500噸碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)能力。

 

       2016年5月，上海石化開(kāi)展碳纖維48K大絲束原絲工業(yè)化研究試驗(yàn)。2018年1月，成功開(kāi)發(fā)了大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化炭化工藝技術(shù)，形成了千噸級(jí)PAN基48K大絲束碳纖維成套技術(shù)工藝包的技術(shù)基礎(chǔ)。3月份，成功試制出了國(guó)內(nèi)真正意義上的48K大絲束碳纖維，并貫通工藝全流程。據(jù)測(cè)試，48K大絲束原絲經(jīng)過(guò)氧化炭化成48K碳纖維大絲束后，單絲強(qiáng)度達(dá)到高性能。這為上階段通用級(jí)碳纖維(小絲束+大絲束)的技術(shù)升級(jí)，以及高性能碳纖維的生產(chǎn)，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 

       據(jù)了解，一階段千噸級(jí)碳纖維裝置開(kāi)車以來(lái)，截至2018年5月，裝置已累計(jì)生產(chǎn)原絲4286噸，生產(chǎn)碳纖維709噸。獨(dú)特的NaSCN濕法原絲工藝，使生產(chǎn)的碳纖維具有優(yōu)異的表面結(jié)構(gòu)和界面性能，可要極大增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料性能。

 

       傳統(tǒng)能源領(lǐng)域已“顯現(xiàn)身手”

 

       上海石化碳纖維已經(jīng)在傳統(tǒng)能源領(lǐng)域顯現(xiàn)身手。在莫桑比克N6公路、天津津?yàn)I高速立交橋、沈陽(yáng)至丹東鐵路線、遼寧蓡窩水庫(kù)等9個(gè)病險(xiǎn)基礎(chǔ)設(shè)施維修工程中，采用碳纖維拉擠板材加固，不僅施工高效便捷，而且結(jié)構(gòu)承載力明顯提高；在碳纖維齒輪替代進(jìn)口塑料齒輪，以及加固修補(bǔ)液相丙烯、抽余碳四、火炬氣、甲烷氫、氮?dú)狻⑽鬯仁艿馈⒏吒g設(shè)備、化工車間受腐蝕建筑等方面得到示范應(yīng)用，效果良好。

 

       上海石化還與勝利油田分公司及其改制企業(yè)新大管業(yè)科技有限公司合作，開(kāi)發(fā)碳纖維抽油桿，經(jīng)過(guò)5個(gè)批次的試驗(yàn)后，抽油桿性能優(yōu)良，同國(guó)外碳纖維水平相當(dāng)，完全可以取代進(jìn)口。截至2017年底，勝利油田已使用上海石化碳纖維連續(xù)抽油桿試驗(yàn)應(yīng)用共93口井，累計(jì)用桿20.9萬(wàn)米，目前正在進(jìn)一步推廣應(yīng)用，特別是西北高腐蝕深井。

 

       隨著48K大絲束碳纖維的面世，上海石化碳纖維技術(shù)有了支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，迎來(lái)更加廣闊的應(yīng)用前景。在傳統(tǒng)能源和新能源領(lǐng)域，該公司將開(kāi)發(fā)生產(chǎn)通用級(jí)、低成本大絲束、高強(qiáng)高模量級(jí)碳纖維原料，重點(diǎn)應(yīng)用到油田(抽油桿、抽油套管、部件等)，常壓及高壓容器(高壓CNG瓶、車載CNG罐，儲(chǔ)氫氣瓶，壓縮空氣瓶等)，加油站雙層罐、車載罐，石化管道修復(fù)加固(各種材質(zhì)、工況的廠區(qū)管道，長(zhǎng)輸原油管線等)，大容量風(fēng)電葉片等；在軌道交通、新能源汽車、民用航空、風(fēng)電等高端領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用。目前，該公司已與海上風(fēng)電、大型風(fēng)電、汽車行業(yè)等相關(guān)項(xiàng)目展開(kāi)合作意向。