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◎本報(bào)記者 操秀英
大絲束碳纖維的每一根絲束都有4.8萬(wàn)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(qiáng)度新型纖維材料。其力學(xué)性能優(yōu)異,比重不到鋼的四分之一,強(qiáng)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(qiáng)纖維,被稱(chēng)為“新材料之王”“黑黃金”,可廣泛應(yīng)用于航空航天、能源裝備、交通運(yùn)輸、體育休閑等領(lǐng)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(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)主要在小絲束碳纖維方面實(shí)現(xiàn)了突破。隨著我國(guó)首個(gè)萬(wàn)噸級(jí)48K大絲束碳纖維工程第一套國(guó)產(chǎn)線在中國(guó)石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開(kāi)車(chē),并生產(chǎn)出性能媲美國(guó)外同級(jí)別產(chǎn)品的合格產(chǎn)品,我國(guó)大絲束碳纖維也從關(guān)鍵技術(shù)突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化,成功走向規(guī)?;完P(guān)鍵裝備國(guó)產(chǎn)化,一舉破除了我國(guó)碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動(dòng)局面。
發(fā)展“大絲束”可降低碳纖維成本
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(chē)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ),也是重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新型結(jié)構(gòu)材料,更是大型飛機(jī)、衛(wèi)星、船舶等裝備研制和更新?lián)Q代的重要基礎(chǔ)。
在業(yè)內(nèi),通常將每束碳纖維根數(shù)大于4.8萬(wàn)根(簡(jiǎn)稱(chēng)48K)的稱(chēng)為大絲束碳纖維。
“它每一根絲束都有4.8萬(wàn)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(duì)其進(jìn)行像拉面條一樣的牽伸就形成了大絲束碳纖維原絲。”中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海石化)碳纖維事業(yè)部副總經(jīng)理李鵬介紹。
目前,國(guó)內(nèi)每束碳纖維基本處于1000根至1.2萬(wàn)根之間,這樣的碳纖維被稱(chēng)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(yīng)用碳纖維的積極性。
“我們發(fā)現(xiàn)如果要推廣碳纖維實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的應(yīng)用,一定要發(fā)展‘大絲束’。”上海石化副總經(jīng)理黃翔宇強(qiáng)調(diào),我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)48K大絲束碳纖維的優(yōu)勢(shì)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(jià)格帶來(lái)的應(yīng)用局限。
用“中國(guó)技術(shù)”生產(chǎn)性能優(yōu)異的碳纖維
碳纖維技術(shù)有著森嚴(yán)的技術(shù)壁壘,此前大絲束碳纖維生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在美國(guó)、德國(guó)、日本的幾家大公司手中。中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)石化)是國(guó)內(nèi)第一家、全球第四家掌握大絲束碳纖維技術(shù)的企業(yè)。
大絲束碳纖維研發(fā)難在哪?上海石化相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人介紹,主要難點(diǎn)包括大絲束碳纖維制備過(guò)程中氧化反應(yīng)放熱的有效控制、一束絲4.8萬(wàn)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(yùn)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(guó)技術(shù)”,上海石化從裝備到工藝,為大絲束碳纖維量身定制了專(zhuān)用生產(chǎn)線,如根據(jù)大絲束碳纖維的生產(chǎn)要求自行設(shè)計(jì)氧化爐、碳化爐,不僅成功掌握了控制溫度場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù),而且進(jìn)行了節(jié)能型設(shè)計(jì),可實(shí)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(shù)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(kāi)發(fā)特殊的連續(xù)生產(chǎn)技術(shù),大大減少停車(chē)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(qiáng)度新型纖維材料。其力學(xué)性能優(yōu)異,比重不到鋼的四分之一,強(qiáng)度卻是鋼的7—9倍,并且還具有耐腐蝕的特性。
國(guó)產(chǎn)大絲束碳纖維已開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化布局
上海石化首條48K大絲束碳纖維國(guó)產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)規(guī)?;?、高品質(zhì)生產(chǎn)。該項(xiàng)目計(jì)劃于2024年全部建成投產(chǎn),屆時(shí)將達(dá)到2.4萬(wàn)噸/年原絲、1.2萬(wàn)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(gè)碳纖維市場(chǎng)帶來(lái)哪些影響?專(zhuān)家分析,首先隨著碳纖維國(guó)產(chǎn)化的不斷推進(jìn),對(duì)市場(chǎng)最大的影響是進(jìn)口碳纖維價(jià)格的下降。
數(shù)據(jù)顯示,隨著國(guó)內(nèi)碳纖維國(guó)產(chǎn)化的推進(jìn),進(jìn)口碳纖維價(jià)格預(yù)計(jì)將從最高每噸4.5萬(wàn)美元降至每噸1萬(wàn)美元左右,這對(duì)于全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(wàn)噸,其中大絲束碳纖維需求量為51400噸,占比約43.5%。2021年我國(guó)碳纖維需求量達(dá)到6.24萬(wàn)噸,較2020年增加27.7%,占全球碳纖維需求量的53%。專(zhuān)家表示,碳纖維在新能源、風(fēng)電、光伏、汽車(chē)、體育用品等下游市場(chǎng)的應(yīng)用需求將逐漸爆發(fā), 滲透率不斷提升。
業(yè)內(nèi)專(zhuān)家稱(chēng),中國(guó)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(kuò)產(chǎn)計(jì)劃,如果所有建設(shè)項(xiàng)目可以順利投產(chǎn)落地,“十四五”末期,中國(guó)新增碳纖維產(chǎn)能將達(dá)21萬(wàn)噸以上,其中新增大絲束碳纖維產(chǎn)能達(dá)17.6萬(wàn)噸,中國(guó)大絲束產(chǎn)能擴(kuò)張時(shí)代將隨之開(kāi)啟。
科技日?qǐng)?bào)記者了解到,中國(guó)石化實(shí)現(xiàn)大絲束碳纖維量產(chǎn)之后,已經(jīng)開(kāi)始尋求和新能源汽車(chē)企業(yè)的合作,通過(guò)使用輕量化的碳纖維零部件,增加新能源汽車(chē)的續(xù)航里程。
“我們和蔚來(lái)有框架合作協(xié)議,和比亞迪也有合作。我們?cè)谧銎?chē)輕量化的工作,已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化布局?!敝袊?guó)石化首席專(zhuān)家莊毅說(shuō)。
中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)孟弋潔表示,2030年,我國(guó)大絲束碳纖維產(chǎn)值應(yīng)該能達(dá)到500億元量級(jí),將帶動(dòng)千億級(jí)的復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模。
除了大絲束碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn),中國(guó)石化也正大力推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用。中國(guó)石化有關(guān)負(fù)責(zé)人表示,在未來(lái)的碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,中國(guó)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(jī)制體制方面深化創(chuàng)新,應(yīng)用場(chǎng)景全面推廣,同時(shí),堅(jiān)持走自己的道路,做自己的特色產(chǎn)品。在“十四五”末,中國(guó)石化將在多種工藝流程實(shí)現(xiàn)通用級(jí)、大絲束、小絲束、高性能等產(chǎn)品的全面突破,進(jìn)行總體布局,滿(mǎn)足國(guó)家各個(gè)領(lǐng)域的需求,為引領(lǐng)和推動(dòng)中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
延伸閱讀
全球碳纖維需求量持續(xù)增長(zhǎng)
根據(jù)賽奧碳纖維《2016—2021全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》,從全球的維度來(lái)看,碳纖維需求量從2016年的7.65萬(wàn)噸增至2021年的11.8萬(wàn)噸,復(fù)合年均增長(zhǎng)率(CAGR)為9.02%,2021年同比增速?gòu)?020年的3.05%提升至10.42%,2025年預(yù)計(jì)全球需求量達(dá)20萬(wàn)噸。從國(guó)內(nèi)的維度來(lái)看,碳纖維需求量從2016年的1.96萬(wàn)噸增至2021年的6.24萬(wàn)噸,CAGR為26.06%,2021年的同比增速高達(dá)27.69%,2025年預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)需求量為15.93萬(wàn)噸。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看,2021年全球和國(guó)內(nèi)碳纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域均是風(fēng)電葉片。2021年全球碳纖維需求量占比前三的領(lǐng)域分別是風(fēng)電葉片(27.97%)、體育休閑(15.68%)和航空航天(13.98%);而國(guó)內(nèi)占比前三的領(lǐng)域分別是風(fēng)電葉片(36.07%)、體育休閑(28.05%)和碳/碳復(fù)材(11.22%)。風(fēng)電葉片、體育休閑、航空航天、碳/碳復(fù)材等領(lǐng)域的需求占據(jù)了碳纖維市場(chǎng)需求的主要部分。
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