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

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(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。長期以來，我國主要在小絲束碳纖維方面實(shí)現(xiàn)了突破。隨著我國首個(gè)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(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(dòng)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(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(jìn)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(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’?！鄙虾Ｊ笨偨?jīng)理黃翔宇強(qiáng)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(jià)格帶來的應(yīng)用局限。

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、德國、日本的幾家大公司手中。中國石油化工集團(tuán)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(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程中氧化反應(yīng)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(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，開發(fā)特殊的連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)，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(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。

上海石化首條48K大絲束碳纖維國產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、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(gè)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(jìn)，對市場最大的影響是進(jìn)口碳纖維價(jià)格的下降。

數(shù)據(jù)顯示，隨著國內(nèi)碳纖維國產(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4.5萬美元降至每噸1萬美元左右，這對于全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用來說是一個(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(dá)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(fēng)電、光伏、汽車、體育用品等下游市場的應(yīng)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(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，中國新增碳纖維產(chǎn)能將達(dá)21萬噸以上，其中新增大絲束碳纖維產(chǎn)能達(dá)17.6萬噸，中國大絲束產(chǎn)能擴(kuò)張時(shí)代將隨之開啟。

科技日報(bào)記者了解到，中國石化實(shí)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(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化布局。”中國石化首席專家莊毅說。

中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)秘書長孟弋潔表示，2030年，我國大絲束碳纖維產(chǎn)值應(yīng)該能達(dá)到500億元量級，將帶動(dòng)千億級的復(fù)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(jìn)碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用。中國石化有關(guān)負(fù)責(zé)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(jī)制體制方面深化創(chuàng)新，應(yīng)用場景全面推廣，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，中國石化將在多種工藝流程實(shí)現(xiàn)通用級、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，滿足國家各個(gè)領(lǐng)域的需求，為引領(lǐng)和推動(dòng)中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。