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250亿市值腈纶龙头勇闯碳纤维10年 书写大丝束国产化传奇

来源:新材料在线|

发表时间:2022-04-07

点击:39602



新材料在线®《大国之材》原创文章

转载请联系微信:EILIG2014

新材料在线 ID:xincailiaozaixian

图片:受访人提供、图虫创意

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从一个腈纶大厂到碳纤维行业翘楚需要多长时间?


10年。这是中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称“上海石化”)给出的答案。


10年,在时间长河中只是沧海一粟,但在日新月异、追求速成的商业时代,却是一段漫长的历程。从腈纶到碳纤维,从12K小丝束到48K大丝束的突破,十多年来,上海石化用事实证明了,被国外垄断的新材料并非不可逾越。


“脚踏实地。”上海石化副总经理黄翔宇用这四个字诠释了成功的关键,“转型,并不是一蹴而就的事情。而创新,更是需要坚定的信念和长久的付出。”



01

从山顶到归零,腈纶大厂迈入碳纤维新领域


碳纤维,曾被外界视为是一场似乎没有尽头的研发之旅。


“要1300年!假设每个工艺过程中只调节两个参数,每个参数实验3个点,每天做10个实验,就要试上1300年才能完成。”盲目试错,必然无法实现突破。


“国内企业研发从上世纪60年代后期就开始起步,但进展缓慢,虽有零星生产,可成本高、质量不稳定,无法跨越产业化的门槛。”


碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量新型纤维材料,被誉为“黑色黄金”和未来材料领域“皇冠上的明珠”,早已在国防军事、轨道交通、新能源汽车、民用航空、风电等领域得到广泛应用。


动画电影《超能陆战队》里的机器人“大白”,这个感动了无数人的医疗机器人的原型,体内骨骼也正是由碳纤维材料打造,这才让外形软绵绵的他能经受住无数次的碾压摔打。


但碳纤维生产技术早期一直被国外企业垄断,该材料研发步骤繁多,工艺及其复杂,其间伴随的化学变化包括脱氢、环化、预氧化、氧化及炭化等等工序。40多年来,国内不少企业前赴后继,一次次试验,但折腰的项目举不胜举。


作为国内特大型炼化一体化企业之一,也曾是国内最大的腈纶生产企业,上海石化选择进入碳纤维领域并非是心血来潮或是成功后的膨胀之举。


依托腈纶产业优势,上海石化早在上世纪八十年代就率先开展对碳纤维的调研和技术研究工作。2000年后,上海石化决定对腈纶进行产业调整,生产方式与它类似的碳纤维就成为一个很好的发展方向。


此外,作为一种战略型新兴材料,碳纤维成为爆发式的需求。尤其是东丽的碳纤维被应用到航空航天领域以后,国内从海外得到的碳纤维资源就越发少了。


“我们觉得我们有一定的基础,也有一定的能力可以长期组织力量进行攻关,而材料也是国家亟需的,所以当时就确定进入这个行业。”凭着这份责任感和担当,2005年3月,上海石化腈纶研究所碳纤维技术开发室应运而生,开启了攻关碳纤维的圆梦之旅。


黄翔宇介绍,从碳纤维本身的原理来讲,它其实就是类似于腈纶的一种聚合方式和纺丝方式。但仅仅这样并不足以研发出碳纤维。


腈纶聚合的配比设计,是为了后面的纤维更好地可纺可编织,而原丝聚合的目的是为了后面氧化和碳化,所以从聚合的设计上说,碳纤维和腈纶的单体或者配方是不一样的。


黄翔宇做了决定,让已经获得过高光,站在山顶的团队和自己,再次归零。


“为什么大家一直说国产纤维有问题?后来我们发现,原丝的分子结构要和后面的氧化碳化工艺相匹配,但我们一开始的研发重心只偏重它的力学性能,而没有注重碳纤维的后加工性能。”因此,从聚合开始就要考虑原丝的分子结构要和后面的氧化碳化相匹配。


有了研发的方向,接下来的发展就水到渠成。


2007年,上海石化开始正式立项攻关PAN基碳纤维。2008年11月,上海石化建成碳纤维中试装置。这条年产200吨聚丙烯腈基原丝中试线,是国内当时唯一的一条百吨级原丝生产试验线,它不仅规避了欧美等国的专利限制,也使得上海石化初步拥有了产业化生产经验的技术路线。


2009年,上海石化成功研制出12K原丝,且原丝炭化后的力学性能已经达到日本东丽T300的水平。


中试原丝的成功,看似很轻松简单,但这一路走起来并不容易。


对于存在问题冷静的总结与分析,不断地理论创新和技术创新,形成具有自主知识产权的技术,这才是上海石化在艰难的碳纤维产业化奋进中交出的答卷。也只有真正进入到这个碳纤维行业,了解了这个行业的发展趋势,才能够做出正确的技术选择。


02

十年磨一剑,造出中国真正大丝束碳纤维


在碳纤维业内,通常将每束碳纤维根数大于48000根(简称48K)的称为大丝束碳纤维。目前,中国国内每束碳纤维基本处于1000根(1K)~24000根(24K)之间,称为小丝束。


48K大丝束最大的优势,生产和应用效率高,可以大幅度实现低成本的目标,从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。


回想起来这十多年从小丝束到大丝束碳纤维的探索历程,黄翔宇感慨万千,“成功的喜悦当然是有的,但对我们研发人员来说,故事里不乏艰辛和心酸。”


在成功突破12K的制备技术后,尽管看到大丝束的市场前景,也有客户抛出了橄榄枝,但黄翔宇他们并没有急于大踏步往前走。


“我们当时先做了一条500吨碳纤维的生产线,主要是想能让技术更成熟点,同时也为了更好地与市场发展相匹配。我们的布局还是以稳为主,一步步地向前走。”


2012年9月,通过采用自行开发的国内独有NaSCN(硫氰酸钠)湿法工艺和自主知识产权成套技术,上海石化年产3000吨原丝、1500吨碳纤维项目一阶段工程建成,形成每年3000吨聚合物、1500吨原丝、500吨碳纤维的工业化年产能。


选择硫氰酸钠湿法工艺,是黄翔宇他们长期考虑后的结果。上海石化对硫氰酸钠的工艺有着几十年的经验,且它是一种无机溶剂,在后面的水洗中很容易洗掉,所以它在碳纤维里面的溶剂含量几乎测不到,对后面碳化过程的影响能达到最小。


但500吨的生产线建成后,生产出来的碳纤维却不如人意,有很多毛刺。


“这对我们来说,是一个挺大的打击。原丝我们已经反复论证了,没有任何问题。而氧化炉碳化炉是国外购买过来的,也是先进的设备,为什么做出来的碳纤维却有这么大的问题?”


“这就是核心技术没掌握在我们手里的弊端。”反复研究后,黄翔宇得出这个结论。


当时,上海石化仅仅从国外购买设备,并没有购买到核心技术。原丝氧化碳化的关键核心点在哪里?设备到底有没有缺陷?这些都要上海石化花功夫一一去探索验证。


从2012年到2015年这3年中,黄翔宇团队停下脚步,重新去认识碳纤维,认识氧化炭化和原丝之间的关系,认识产业化装置,认识设备。


2015年10月,上海石化召开现场用户推介会,把客户邀请到生产线上,现场体验生产来的碳纤维。这些可以与国际碳纤维质量媲美的碳纤维受到客户的一致好评。黄翔宇终于长长舒了一口气。


“这件事给了我们一个教训,就是任何事情都不可能轻轻松松地成功,得花功夫去摸透它。但这3年的深入研究,相当于我们把国外进口的设备进行了二次消化,重新改进,变成了自己的技术,大大提高了我们的专业水平,也让我们对未来有了更大的信心。”


“进入碳纤维行业以后,我们有几个预判,一是碳纤维的性能将会越来越高,将用在更高更尖端的领域;第二是碳纤维应用将越来越普及,使用碳纤维的行业将越来越多。因此,我们既要关注性能越来越高的产品品种,同时也要考虑到低成本大规模的应用需求。”


2016年5月,基于这个判断,解决技术难关后的上海石化正式开展碳纤维48K大丝束原丝工业化研究试验。


2018年1月,上海石化成功开发了大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化碳化工艺技术,形成了千吨级聚丙烯腈基48K大丝束碳纤维成套技术工艺包的技术基础。3月份,成功试制出了国内真正意义上的48K大丝束碳纤维,并贯通工艺全流程。


黄翔宇对《大国之材》表示,从12K小丝束到48K大丝束,并不是把喷丝口数量从1.2万个放大到4.8万个这么简单,中间要走过一条十分艰难的攻关之路,这需要深厚的科研理论作指导,丰富的实践经验作支撑,才能解决很多关键的技术难点,而上海石化经过10年磨一剑的前期积累,在短短两年里创造了这一奇迹。


从12K到48K,这是个了不起的成就,不仅填补了国内大丝束的空白,还对中国“智造”工业产生巨大的推进作用。


一个企业的最伟大之处,不仅仅看它能否成为胜者,还要看它是否是长跑者,能否经过漫过的长跑后冲刺到达终点。从这个意义上说,上海石化就是一名伟大的长跑者。


03

回归商业数字,开启碳纤维应用新思考


目前看来,在2018年前,上海石化并没有扩产扩量目标,一直在碳纤维的基础理论研究和技术创新上下功夫。


“我们更多是为了后面碳纤维的规模化打基础。”尽管没有太多纯商业上的数字使命,但黄翔宇在研发的同时,开始不断地思考碳纤维的应用。


“从国内碳纤维产业的发展来说,我们还有很多空白点和薄弱点。上海石化现在生产的大丝束碳纤维已达国际先进水平,有些甚至更优越。但我们国内并没有测试大丝束的标准,标准都没有,如何能形成一个健康的产业?”


因此,从2018年开始,上海石化和标准委员会努力推进行业的标准建设。


另一方面,黄翔宇他们正在积极联系下游客户一起开发碳纤维的应用市场。“我觉得维斯塔斯就是一个鲜明的例子,通过创新和拓宽应用市场,短短几年,就从一个濒临破产的企业做到风电行业的老大。”


“在开发碳纤维的同时,我们要跟下游一起开发碳纤维更多的应用,以此来扩大产业的需求。”为此,上海石化也做了不少尝试,已经在传统能源领域显现身手。在莫桑比克N6公路、天津津滨高速立交桥等病险基础设施维修工程中,采用碳纤维拉挤板材加固,不仅施工高效便捷,而且结构承载力明显提高。


在碳纤维抽油杆和石油管道加固体系中,上海石化的碳纤维也发挥了积极的作用。目前,上海石化的碳纤维抽油杆已在国内5大油田94个区块545口井进行了产业化应用。


“材料企业和应用企业一起开发新的技术,这是碳纤维产业未来发展的一个很好的方向。”


除了与应用企业合作,为了永葆创新的动力,上海石化还积极与高校和研究所合作。“企业是创新的主体,这句话没错。但企业不可能什么都做,我觉得把各方的力量到汇聚到你这里来,形成你自己的技术,这才是一个企业最大的能力。”


在合作过程中,上海石化一方面将工艺每个环节分解,形成长长的链条,充分发挥教授科研团队每个人的特长;另一方面,黄翔宇和团队努力学习,读懂科研院校合作教授的理论研究成果,掌握理论的精髓,并把它们转化为自己的技术。


“让企业认识到理论的价值,让高校认识到企业的擅长,这样的团队才能形成合力。”


“知其然更知其所以然”,通过这样创新的合作模式,上海石化的技术沉淀越来越扎实。而随着国内碳纤维需求的不断增长,上海石化也一改以往的低调,有了更大的动作。


今年3月25日,上海石化正式对外宣布,将投资35亿元建设2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年48K大丝束碳纤维项目,建设期约为4 年。该项目着眼于风电叶片、轨道交通以及汽车轻量化等通用级民用市场。


“一下子将项目增加到万吨级,是有一点难度。但从行业的发展来看,必须要尽快实现产能放大。有难度和挑战性,更能体现出我们的创新性来。”黄翔宇自信满满地说。


在技术与创新的底蕴中,无论目标如何变化,对于上海石化而言,都有打胜仗的底气。


属于碳纤维的时代刚刚到来,中国国产碳纤维的成功故事正在延续,从中国走向全球,从卓越走向伟大,上海石化,或是这个伟大商业故事的见证者和书写者。


【个人介绍】


黄翔宇,毕业于复旦大学高分子化学与物理专业,理学博士学位,教授级高级工程师,现任中国石化上海石油化工股份有限公司副总经理。


长期从事碳纤维及其复合材料的技术研发、生产运营、产业创新等管理工作,承担并完成国家863项目、国家973项目、国家高技术项目、中国石化十条龙科技攻关项目等多个重大课题,已获得授权专利60余项。2007年被中国石化集团公司授予突出贡献专家称号,2011年享受国务院政府特殊津贴,2012年担任中国石化碳纤维及其复合材料重点实验室主任,2014年担任石油化工领域中国石化集团公司高级专家。


【企业介绍】


中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称“上海石化”)是中国石油化工股份有限公司的控股子公司,是中国最大的炼油化工一体化企业之一,也是国内重要的成品油、中间石化产品、合成树脂和合成纤维生产基地。上海石化的前身是创建于1972年的上海石油化工总厂。1993年,经过国有企业股份制规范化改制,上海石化成为中国第一家股票同时在上海、香港和纽约三地上市的股份有限公司。


近年来,上海石化坚定不移贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念,牢固树立“向先进水平挑战、向最高标准看齐”的理念,努力开创建设“国内领先、世界一流” 能源化工及新材料公司的新篇章。


【产品介绍】


1、原丝Precursor


上海石化生产的12K原丝


上海石化的原丝是由丙烯腈聚合纺制而成的。产品具有总旦数均匀、拉伸强度和模量高且离散性小、毛丝少、氧化碳化通过性能好、预氧化起始温度低等特性。可经高温碳化制成高性能碳纤维;亦可应用于道路、场馆等建筑领域的增强材料;或经预氧化后可用于防火、耐高温等市场领域的高档原材料。


2、碳纤维Carbon Fiber(SCF)



上海石化的碳纤维是由聚丙烯腈基(PAN)碳纤维原丝经高温碳化制成的高比强度、高比模量纤维。从丙烯腈聚合、PAN原丝纺制到原丝氧化碳化的一体化连续生产保证了碳纤维产品质量的稳定性。产品具有线密度均匀、拉伸强度和模量高且离散小、树脂复合性能好、毛丝少、展纤性能好等特点。


3、48K大丝束碳纤维 48k large-tow carbon fiber(SCF-48K)



48K大丝束碳纤维具有生产效率高,成本低等优点,广泛用于风电叶片、汽车、石油化工等领域。上海石化以自主开发的12K PAN基碳纤维技术为基础,集成硫氰酸钠法溶液聚合生产技术,开发出大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化碳化工艺技术,填补了国内空白。上海石化大丝束碳纤维具有强度稳定、毛丝少、展纱性能好、吸胶均匀等特点,适用于拉挤、多轴向经编、缠绕/铺带等工艺。



文章来源:国际在线


据央视报道,2022年1月4日,在北京冬奥会倒计时一周年活动上,奥运火炬“飞扬”揭开面纱。“飞扬”不仅外形极具动感和活力,它的外壳也蕴含着“黑科技”。“飞扬”的外壳不仅要耐火抗高温,还要能在极寒天气中使用。如何承受这“冰与火”的双重考验,奥秘就藏在一种新型材料里



元旦假期,上海石化厂区的工作人员正忙着组装北京冬奥会火炬“飞扬”。按计划,1200支火炬必须在1月中旬前运往北京。


由于北京即将成为奥运历史上首座“双奥之城”,因此“飞扬”的外观与北京2008年奥运会开幕式主火炬塔形态相呼应。它以祥云纹样“打底”,自下而上,从祥云纹逐渐过渡到雪花图案,最后在顶端化身为飞扬的火焰。


中国石化上海石化公司副总经理 黄翔宇:你看这把火炬,这个地方看上去就像飘带一样,我们研制的外壳,这里面就是点火系统,你现在看不见,全部包在里面。手感也不错,这个壳是非常非常轻的。


北京2008年奥运会火炬“祥云”采用的是铝合金材料,为了契合“绿色办奥”理念,体现艺术设计与科技创新的完美融合,这次研发团队将目光投向了“碳纤维”。



中国石化上海石化创新研究院总经理 林生兵:它(碳纤维)的质量只有钢的1/4左右,但是强度是钢的7~9倍。

1860年,英国人在制作电灯灯丝时发明了碳纤维,它的力学性能十分优异,到了现代更被誉为“黑黄金”、21世纪“新材料之王”。这次,研发团队用碳纤维与树脂形成的复合材料来做奥运火炬,堪称世界首创。


中国石化上海石化公司副总经理 黄翔宇:冬奥组委给它的第一个评价就是轻,而且很牢固,随便怎么摔也摔不坏。另外一个就是,冬季火炬传递的时候天气很冷,传统金属材料的话手感不太好,复合材料可以解决这个问题,避免这种很冰凉的感觉。


由于北京冬奥会火炬接力将在低温环境中进行,“飞扬”采用氢做燃料,不仅环保,还因为氢燃料的特性保证了火炬能在极寒天气中使用。


但氢气作燃料,燃烧温度就会高于800℃。因此,“飞扬”火炬外壳的研制,就花了整整三个月时间,逐一攻克了多项技术难题。


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中国石化上海石化公司副总经理 黄翔宇:火炬的火是从里面烧出来的,一般的复合材料都不能在火里烧,要到500℃在火里面再一烧就没了。正好上海有一家小企业研发了一种树脂,这个树脂是耐火的,拿过来我们进行测试分析。最后通过工艺调整,它达到了既能够耐温又能够耐火的要求,800℃、900℃都可以。


生产车间里,由石油产品加工成的这一条条黑色丝束,每一束都包含着12000根碳纤维丝。再经过三维立体编织,最终织成的火炬外壳,看不出任何接缝与孔隙,整个造型浑然一体。

中国石化上海石化创新研究院总经理 林生兵:有点像我们织毛衣一样,只不过它是分了三个不同的经向来进行编织,下一步就是我们拿到下游厂家进行镭雕、上色、喷高温漆,最后才有这样一个亮丽的火炬外壳。


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在材料科技领域,碳纤维的应用前景无限广阔,但却有着森严的技术壁垒。此前,只被日本、美国等少数发达国家掌握,但经过长期研发攻关,上海石化成为国内首家、全球第四家掌握碳纤维大丝束产业化技术的企业。


中国石化上海石化公司副总经理 黄翔宇:大飞机将来都要用碳纤维复合材料了,光伏的热场材料、海上风电的风电叶片也是用碳纤维做的。如果以后车辆都是用清洁能源,它需要轻量化,车子的外壳都是用碳纤维来做,我们中国现在碳纤维和碳纤维复合材料的产业发展非常快,将来我们还在研究火炬之后,这个材料可以用在其他更有用的地方。



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