國內大絲束碳纖維技術(shù)“破爐而出” 上海石化助力“上海智造”

經(jīng)過(guò)聚合、紡絲、牽伸“熱身”，再入氧化碳化“爐烤”，48K大絲束碳纖維一身黑亮，“破爐而出”――中國石化上海石化股份公司的此項“PAN（聚丙烯腈）基大絲束原絲及碳纖維技術(shù)及工藝包開(kāi)發(fā)”項目，日前通過(guò)中國石化組織的國內權威專(zhuān)家組鑒定，大絲束整體技術(shù)達到國際先進(jìn)水平。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、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(chēng)為“新材料之王”，也被稱(chēng)為“黑黃金”，在各行各業(yè)有著(zhù)廣泛的應用前景。

在碳纖維行業(yè)內，通常將每束碳纖維根數大于48000根（簡(jiǎn)稱(chēng)48K）的稱(chēng)為大絲束碳纖維。目前，國內每束碳纖維基本處于1000根(1K)－12000根(12K)之間，稱(chēng)為小絲束。48K大絲束最大的優(yōu)勢，就是在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線(xiàn)產(chǎn)能和質(zhì)量性能，并實(shí)現生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價(jià)格帶來(lái)的應用局限。

據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，這需要深厚的科研理論作指導，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗作支撐，才能解決很多關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，而上海石化經(jīng)過(guò)10年磨一劍，創(chuàng )造了這一條件?？梢哉f(shuō)，從12K到48K的成功突破，標志著(zhù)上海石化碳纖維技術(shù)從量變到質(zhì)變的飛躍，不僅填補了國內空白，而且達到了國際先進(jìn)水平，這將對“上海智造”工業(yè)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

上海石化是國內特大型煉化一體化企業(yè)之一，也曾是國內最大的腈綸生產(chǎn)企業(yè)。依托腈綸產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，該公司早在上世紀八十年代就率先開(kāi)展對碳纖維的交流調研和技術(shù)研究工作。2007年，中國石化決策部署PAN基碳纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)工作，并將建設項目落實(shí)在了上海石化。

碳纖維有著(zhù)森嚴的技術(shù)壁壘，迄今為止核心技術(shù)也只有日本、美國等少數發(fā)達國家擁有并掌握。對此，上海石化在中國石化、上海市的大力支持下，與上海石化研究院、上海工程公司、復旦大學(xué)等數十家科研院所、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”相結合的協(xié)同創(chuàng )新之路，并憑借高校強大的基礎理論研究與企業(yè)的工程化技術(shù)開(kāi)發(fā)無(wú)縫對接，不“摸黑前行”，不“無(wú)謂模仿”，不“盲目試錯”，在明確目標的指引下，少走彎路，跨越鴻溝，取得了技術(shù)的積累。

在各方團隊的齊心協(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)的國內獨有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝和自主知識產(chǎn)權的成套技術(shù)，上海石化年產(chǎn)3000噸原絲、1500噸碳纖維項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。

上海石化碳纖維項目得到了國家、中國石化和上海市政府的高度重視和大力支持，“年產(chǎn)3000噸PAN原絲產(chǎn)業(yè)化示范工程”被列為國家高技術(shù)項目，“PAN基碳纖維成套技術(shù)攻關(guān)”被列為中國石化2010-2017年十條龍項目，“年產(chǎn)1500噸PAN基碳纖維項目”被列為上海市創(chuàng )新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大項目。在此期間，該項目共承擔國家863項目1項，973項目1項，國家發(fā)改委項目2項，上海市政府項目5項，獲政府攻關(guān)資助2638萬(wàn)元。期間，中國石化共累計申請碳纖維相關(guān)專(zhuān)利179項、授權62項。據2016年統計，中國石化碳纖維相關(guān)專(zhuān)利申請數排名全國第一、全球第四。

黃翔宇說(shuō)，特別是在參與承擔國家863項目、973項目中，與科研院所的深度融合，使基礎研究理論成果更好地應用于技術(shù)研發(fā)上，為推進(jìn)大絲束整體技術(shù)研發(fā)起到了積極作用。

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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。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PAN基48K大絲束碳纖維成套技術(shù)工藝包的技術(shù)基礎。3月份，成功試制出了國內真正意義上的48K大絲束碳纖維，并貫通工藝全流程。據測試，48K大絲束原絲經(jīng)過(guò)氧化炭化成48K碳纖維大絲束后，單絲強度達到高性能。這為上階段通用級碳纖維（小絲束+大絲束）的技術(shù)升級，以及高性能碳纖維的生產(chǎn)，打下了堅實(shí)的基礎。

據了解，一階段千噸級碳纖維裝置開(kāi)車(chē)以來(lái)，截至2018年5月，裝置已累計生產(chǎn)原絲4286噸，生產(chǎn)碳纖維709噸。獨特的NaSCN濕法原絲工藝，使生產(chǎn)的碳纖維具有優(yōu)異的表面結構和界面性能，可要極大增強碳纖維復合材料性能。

憑借上海石化這一國家首批命名的“合成纖維國家工程研究中心”、上海石化與上海石化院共建的“中國石化碳纖維及其復合材料重點(diǎn)實(shí)驗室”、上海石化院與七家企業(yè)研究院建成投用的“合成纖維加工應用中心（FTC）”三大體系所構成的中國石化高性能纖維及其復合材料的創(chuàng )新平臺，上海石化碳纖維已經(jīng)在傳統能源領(lǐng)域顯現身手。在莫桑比克N6公路、天津津濱高速立交橋、沈陽(yáng)至丹東鐵路線(xiàn)、遼寧蓡窩水庫等9個(gè)病險基礎設施維修工程中，采用碳纖維拉擠板材加固，不僅施工高效便捷，而且結構承載力明顯提高；在碳纖維齒輪替代進(jìn)口塑料齒輪，以及加固修補液相丙烯、抽余碳四、火炬氣、甲烷氫、氮氣、污水等石化管道、高腐蝕設備、化工車(chē)間受腐蝕建筑等方面得到示范應用，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)批次的試驗后，抽油桿性能優(yōu)良，同國外碳纖維水平相當，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抽油桿試驗應用共93口井，累計用桿20.9萬(wàn)米，目前正在進(jìn)一步推廣應用，特別是西北高腐蝕深井。

隨著(zhù)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)展的強大動(dòng)力，迎來(lái)更加廣闊的應用前景。在傳統能源和新能源領(lǐng)域，該公司將開(kāi)發(fā)生產(chǎn)通用級、低成本大絲束、高強高模量級碳纖維原料，重點(diǎn)應用到油田（抽油桿、抽油套管、部件等），常壓及高壓容器（高壓CNG瓶、車(chē)載CNG罐，儲氫氣瓶，壓縮空氣瓶等），加油站雙層罐、車(chē)載罐，石化管道修復加固（各種材質(zhì)、工況的廠(chǎng)區管道，長(cháng)輸原油管線(xiàn)等），大容量風(fēng)電葉片等；在軌道交通、新能源汽車(chē)、民用航空、風(fēng)電等高端領(lǐng)域，實(shí)現商業(yè)應用或產(chǎn)業(yè)化示范應用。目前，該公司已與海上風(fēng)電、大型風(fēng)電、汽車(chē)行業(yè)等相關(guān)項目展開(kāi)合作意向。