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        國產(chǎn)“大絲束”開啟碳纖維產(chǎn)業(yè)新藍海

        2022-12-11 11:27:50操秀英
        科學導報 2022年77期
        關鍵詞:原絲碳纖維生產(chǎn)

        操秀英

        大絲束碳纖維的每一根絲束都有4.8萬根纖維,每一根纖維的直徑只有頭發(fā)絲直徑的1/7到1/8。上海石化研發(fā)生產(chǎn)的大絲束碳纖維,是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。其力學性能優(yōu)異,比重不到鋼的四分之一,強度卻是鋼的7—9倍,并且還具有耐腐蝕的特性。

        碳纖維是新一代增強纖維,被稱為“新材料之王”“黑黃金”,可廣泛應用于航空航天、能源裝備、交通運輸、體育休閑等領域。按絲束規(guī)格的不同,可以將其分為小絲束碳纖維和大絲束碳纖維。長期以來,我國主要在小絲束碳纖維方面實現(xiàn)了突破。隨著我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產(chǎn)線在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車,并生產(chǎn)出性能媲美國外同級別產(chǎn)品的合格產(chǎn)品,我國大絲束碳纖維也從關鍵技術突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化,成功走向規(guī)?;完P鍵裝備國產(chǎn)化,一舉破除了我國碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動局面。

        眾所周知,碳纖維是新能源、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎,也是重大基礎設施建設的新型結(jié)構(gòu)材料,更是大型飛機、衛(wèi)星、船舶等裝備研制和更新?lián)Q代的重要基礎。

        在業(yè)內(nèi),通常將每束碳纖維根數(shù)大于4.8萬根(簡稱48K)的稱為大絲束碳纖維。

        “它每一根絲束都有4.8萬根纖維,每一根纖維的直徑只有頭發(fā)絲直徑的1/7到1/8。我們把碳纖維從特制的像花灑一樣的紡絲噴頭中噴出、擠出后,再對其進行像拉面條一樣的牽伸就形成了大絲束碳纖維原絲?!敝袊虾J突す煞萦邢薰荆ㄒ韵潞喎Q上海石化)碳纖維事業(yè)部副總經(jīng)理李鵬介紹。

        目前,國內(nèi)每束碳纖維基本處于1000根至1.2萬根之間,這樣的碳纖維被稱為小絲束碳纖維。但是由于小絲束碳纖維成本高,影響了下游企業(yè)應用碳纖維的積極性。

        “我們發(fā)現(xiàn)如果要推廣碳纖維實現(xiàn)工業(yè)化的應用,一定要發(fā)展‘大絲束’?!鄙虾J笨偨?jīng)理黃翔宇強調(diào),我們在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)48K大絲束碳纖維的優(yōu)勢是在相同的工藝條件下,能夠大幅度地提高碳纖維的單線的生產(chǎn)能力,如果控制得好,它的質(zhì)量性能也能得到保證,這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)低成本,從而打破了碳纖維高昂價格帶來的應用局限。

        碳纖維技術有著森嚴的技術壁壘,此前大絲束碳纖維生產(chǎn)技術主要掌握在美國、德國、日本的幾家大公司手中。中國石油化工集團有限公司(以下簡稱中國石化)是國內(nèi)第一家、全球第四家掌握大絲束碳纖維技術的企業(yè)。

        大絲束碳纖維研發(fā)難在哪?上海石化相關技術負責人介紹,主要難點包括大絲束碳纖維制備過程中氧化反應放熱的有效控制、一束絲4.8萬根碳纖維的紡絲均勻穩(wěn)定性控制,以及生產(chǎn)線連續(xù)運行周期和穩(wěn)定性。

        黃翔宇介紹,為了在大絲束碳纖維制備中真正用上“中國技術”,上海石化從裝備到工藝,為大絲束碳纖維量身定制了專用生產(chǎn)線,如根據(jù)大絲束碳纖維的生產(chǎn)要求自行設計氧化爐、碳化爐,不僅成功掌握了控制溫度場的關鍵技術,而且進行了節(jié)能型設計,可實現(xiàn)能源綜合利用。

        此外,上海石化采用聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)調(diào)控技術獲得良好熱性能原絲,系統(tǒng)研究紡絲原液流變性能保證原絲質(zhì)量穩(wěn)定性,開發(fā)特殊的連續(xù)生產(chǎn)技術,大大減少停車次數(shù),極大提高生產(chǎn)效率。

        上海石化研發(fā)生產(chǎn)的大絲束碳纖維,是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。其力學性能優(yōu)異,比重不到鋼的四分之一,強度卻是鋼的7~9倍,并且還具有耐腐蝕的特性。

        上海石化首條48K大絲束碳纖維國產(chǎn)線可實現(xiàn)規(guī)模化、高品質(zhì)生產(chǎn)。該項目計劃于2024年全部建成投產(chǎn),屆時將達到2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年大絲束碳纖維產(chǎn)能。

        自主研發(fā)大絲束碳纖維生產(chǎn)線投產(chǎn),將給整個碳纖維市場帶來哪些影響?專家分析,首先隨著碳纖維國產(chǎn)化的不斷推進,對市場最大的影響是進口碳纖維價格的下降。

        數(shù)據(jù)顯示,隨著國內(nèi)碳纖維國產(chǎn)化的推進,進口碳纖維價格預計將從最高每噸4.5萬美元降至每噸1萬美元左右,這對于全產(chǎn)業(yè)鏈應用來說是一個利好消息。

        數(shù)據(jù)顯示,2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬噸,其中大絲束碳纖維需求量為51400噸,占比約43.5%。2021年我國碳纖維需求量達到6.24萬噸,較2020年增加27.7%,占全球碳纖維需求量的53%。專家表示,碳纖維在新能源、風電、光伏、汽車、體育用品等下游市場的應用需求將逐漸爆發(fā),滲透率不斷提升。

        業(yè)內(nèi)專家稱,中國碳纖維行業(yè)正處于快速發(fā)展階段,根據(jù)目前各企業(yè)已宣布的投資擴產(chǎn)計劃,如果所有建設項目可以順利投產(chǎn)落地,“十四五”末期,中國新增碳纖維產(chǎn)能將達21萬噸以上,其中新增大絲束碳纖維產(chǎn)能達17.6萬噸,中國大絲束產(chǎn)能擴張時代將隨之開啟。

        科技日報記者了解到,中國石化實現(xiàn)大絲束碳纖維量產(chǎn)之后,已經(jīng)開始尋求和新能源汽車企業(yè)的合作,通過使用輕量化的碳纖維零部件,增加新能源汽車的續(xù)航里程。

        “我們和蔚來有框架合作協(xié)議,和比亞迪也有合作。我們在做汽車輕量化的工作,已經(jīng)進入了產(chǎn)業(yè)化布局?!敝袊紫瘜<仪f毅說。

        中國復合材料工業(yè)協(xié)會秘書長孟弋潔表示,2030年,我國大絲束碳纖維產(chǎn)值應該能達到500億元量級,將帶動千億級的復合材料市場規(guī)模。

        除了大絲束碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn),中國石化也正大力推進碳纖維復合材料的研發(fā)和應用。中國石化有關負責人表示,在未來的碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,中國石化將在科研方面繼續(xù)加大投入,產(chǎn)業(yè)方面加快布局,機制體制方面深化創(chuàng)新,應用場景全面推廣,同時,堅持走自己的道路,做自己的特色產(chǎn)品。在“十四五”末,中國石化將在多種工藝流程實現(xiàn)通用級、大絲束、小絲束、高性能等產(chǎn)品的全面突破,進行總體布局,滿足國家各個領域的需求,為引領和推動中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出貢獻。

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