快上车!大湾区最快的车用上了中石化碳纤维!
中国石化 2022-02-11
在碳纤维行业内，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，国内每束碳纤维基本处于1000根～12000根之间，称为小丝束。48K大丝束最大的优势，就是在相同的生产条件下，可大幅度提高碳纤维单线产能和质量性能，并实现生产低成本化，从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。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，创造了这一条件。可以说，从12K到48K的成功突破，标志着上海石化碳纤维技术从量变到质变的飞跃，不仅填补了国内空白，而且达到了国际先进水平。碳纤维和我们日常戴的口罩“同宗同源”，它们都是亿万年前深埋在岩石地层里的、一坨黑乎乎的——石油！以最主流的PAN基碳纤维为例，从亿万年前形成的原油到2022北京冬奥会“飞扬”的制备流程十分漫长，是一次漫长的“飞扬”之旅。被石油工人开采出来的石油进入炼厂之后，经过常减压装置蒸馏处理，可以从中提取石脑油等组分。接下来将石脑油送到乙烯装置，在温度700~900摄氏度的乙烯裂解炉中，将其裂解成丙烯。当丙烯与氨、氧气走到一起，在催化剂的推波助澜之下，发生了丙烯氨氧化反应，得到了碳纤维的原料——丙烯腈。丙烯腈单体经过聚合反应，不断连接在一起，形成了具有螺旋结构的聚丙烯腈大分子长链，这些长链卷曲缠绕在一起，形成了聚合物聚丙烯腈。聚丙烯腈不溶于水，需要加入特殊溶剂，缠结在一起的大分子链才能变成流动的纺丝液体。通过机械剪切和管道输送，大分子逐渐有序排列，纺丝液从类似于淋浴花洒一样的喷丝板的喷丝孔里高速挤出，在特制的溶液中凝固成型。经过一系列的机械拉伸，形成致密规整的白色原丝。白色原丝经过氧化、高低温碳化等连续工艺，就像生面团烤制面饼，颜色从白变黄，再从黄变黑，纤维也越变越细，最终形成“黑黄金”碳纤维。碳纤维应用领域：在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化，凭借着轻而强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好及设计性好、可大面积整体成型等优异性能，碳纤维已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。作为国内第一家率先突破48K大丝束碳纤维产业化技术的企业，自上海石化碳纤维问世后，在各个领域得到广泛应用，对“中国制造”产生积极的推动作用。碳纤维抽油杆应用于采油产业。在2019年9月举办的第21届中国国际工业博览会上，由上海石化、胜利油田、胜利油田新大管业3家共同申报的“以碳纤维及其连续抽油杆研制为核心的新型高效机采系统”，获工博会首次设立的中国国际工业博览会大奖，成为一个以开发、应用碳纤维新材料提升传统采油产业的成功案例。目前，该系统在胜利油田进行应用，性能优良，与国外碳纤维水平相当，完全可以取代进口。目前，已在国内五大油田94个区块545口井进行产业化应用，实现了直接经济效益2.45亿元。碳纤维耐磨制件应用于腈纶纺丝机械设备。2019年2月，由上海石化研制开发的碳纤维耐磨片被应用到腈纶纺丝机械设备上，这是碳纤维复合材料在工业领域的又一成功应用，打破了耐磨制件长期依赖进口的被动局面。工业机械设备长期以来采用进口材质制件，但磨损快、使用周期短等问题始终无法有效解决。上海石化工业用耐磨片以碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）树脂复合材料为基础，采用先进造粒技术和挤出成型工艺加工制成，具有耐磨耐热、抗腐蚀和自润滑等优异性能，使用寿命可延长3～4倍，有效提高了生产连续性，保证了腈纶丝束质量。碳纤维补强技术应用于公路、立交桥、高铁、隧道等基础设施维修加固工程。近年来，上海石化与哈尔滨工业大学等院校在碳纤维复合材料补强领域携手攻关，目前，碳纤维补强技术已被广泛应用于公路、立交桥、高铁、隧道等存在病险的基础设施维修工程。在莫桑比克N6公路、天津津滨高速立交桥、沈阳至丹东铁路线、辽宁蓡窝水库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增强。同时，在加固修补液相丙烯、抽余碳四、火炬气、甲烷氢、氮气、污水等石油石化管道、高腐蚀设备、化工车间受腐蚀建筑等方面应用效果良好，形成了丰富的应用经验，具有良好的示范作用。碳纤维钢筋替代传统工程材料。2019年，一种可替代钢筋的新型结构材料碳纤维筋成功问世，碳纤维筋是采用了特殊拉挤工艺，将碳纤维与树脂结合，制成形似钢筋的一种新材料，具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优点。权威部门测试鉴定结果表明，制品的抗拉强度、弹性模量等关键指标均优于国家相关规范标准。由上海石化与中建八局、哈尔滨工业大学等单位合作开发的碳纤维筋，不但能降低构筑物自重，而且大幅增强了混凝土筋结构的耐海洋腐蚀性、耐水泥碱性等，能有效提高建筑物的耐久性能，降低维护成本，延长使用期限。碳纤维筋突破应用局限替代传统工程材料，表明上海石化碳纤维复合材料的应用在国内土木工程领域处于领先水平。打造人才高低，上海石化碳纤维的“硅谷” ：2020年8月28日，上海石化先进材料创新研究院揭牌成立。这是上海石化在科技创新上推出的重要举措，他们集中力量开展关键核心技术攻关和产业创新，推进中高端新材料产业企地融合发展。科研工作，最重要的是人才。目前，创新研究院通过内外部结合招聘，64人中，博士8人、硕士21人、本科21人，成为上海石化名副其实的“硅谷”。 同时，该院与上海碳纤维复合材料创新研究院、陶氏化学、华东理工大学、东华大学等高新企业、高校院所开展各项技术交流，共建合作推动高质量发展。目前，上海石化正着力打造中高端新材料产业集群，接下来，上海石化将着力开展核心技术研究，努力形成碳纤维工程化成套技术；努力打造以碳纤维产业为核心，以聚酯、聚烯烃、弹性体、碳五下游精细化工新材料产业为延伸的中高端新材料产业集群；利用研发制造碳纤维复合材料火炬外壳的契机，加快推进碳纤维及其复合材料核心技术攻关，为上海石化转型发展、创新发展、跨越发展打造新引擎、汇聚新动能。
