国内大丝束碳纤维技术“破炉而出” 上海石化助力“上海智造”

经过聚合、纺丝、牵伸“热身”，再入氧化碳化“炉烤”，48K大丝束碳纤维一身黑亮，“破炉而出”――中国石化上海石化股份公司的此项“PAN（聚丙烯腈）基大丝束原丝及碳纤维技术及工艺包开发”项目，日前通过中国石化组织的国内权威专家组鉴定，大丝束整体技术达到国际先进水平。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料。其力学性能优异，比重不到钢的1/4，强度却是钢的7—9倍，并且还具有耐腐蚀性、高模量的特性，被称为“新材料之王”，也被称为“黑黄金”，在各行各业有着广泛的应用前景。

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(1K)－12000根(12K)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。

据上海石化腈纶部总工程师黄翔宇介绍，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，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，这将对“上海智造”工业产生巨大的推动作用。

上海石化是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。依托腈纶产业优势，该公司早在上世纪八十年代就率先开展对碳纤维的交流调研和技术研究工作。2007年，中国石化决策部署PAN基碳纤维的研发和产业化攻关工作，并将建设项目落实在了上海石化。

碳纤维有着森严的技术壁垒，迄今为止核心技术也只有日本、美国等少数发达国家拥有并掌握。对此，上海石化在中国石化、上海市的大力支持下，与上海石化研究院、上海工程公司、复旦大学等数十家科研院所、高校、企业等一起，走出了一条以企业为主体的“产、学、研、用”相结合的协同创新之路，并凭借高校强大的基础理论研究与企业的工程化技术开发无缝对接，不“摸黑前行”，不“无谓模仿”，不“盲目试错”，在明确目标的指引下，少走弯路，跨越鸿沟，取得了技术的积累。

在各方团队的齐心协力下，碳纤维攻关快速推进：2008年11月，建成中试装置；2009年3月，成功研制出12K原丝。

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

上海石化碳纤维项目得到了国家、中国石化和上海市政府的高度重视和大力支持，“年产3000吨PAN原丝产业化示范工程”被列为国家高技术项目，“PAN基碳纤维成套技术攻关”被列为中国石化2010-2017年十条龙项目，“年产1500吨PAN基碳纤维项目”被列为上海市创新和高新技术产业发展重大项目。在此期间，该项目共承担国家863项目1项，973项目1项，国家发改委项目2项，上海市政府项目5项，获政府攻关资助2638万元。期间，中国石化共累计申请碳纤维相关专利179项、授权62项。据2016年统计，中国石化碳纤维相关专利申请数排名全国第一、全球第四。

黄翔宇说，特别是在参与承担国家863项目、973项目中，与科研院所的深度融合，使基础研究理论成果更好地应用于技术研发上，为推进大丝束整体技术研发起到了积极作用。

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2016年5月，上海石化开展碳纤维48K大丝束原丝工业化研究试验。2018年1月，成功开发了大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化炭化工艺技术，形成了千吨级PAN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。据测试，48K大丝束原丝经过氧化炭化成48K碳纤维大丝束后，单丝强度达到高性能。这为上阶段通用级碳纤维（小丝束+大丝束）的技术升级，以及高性能碳纤维的生产，打下了坚实的基础。

据了解，一阶段千吨级碳纤维装置开车以来，截至2018年5月，装置已累计生产原丝4286吨，生产碳纤维709吨。独特的NaSCN湿法原丝工艺，使生产的碳纤维具有优异的表面结构和界面性能，可要极大增强碳纤维复合材料性能。

凭借上海石化这一国家首批命名的“合成纤维国家工程研究中心”、上海石化与上海石化院共建的“中国石化碳纤维及其复合材料重点实验室”、上海石化院与七家企业研究院建成投用的“合成纤维加工应用中心（FTC）”三大体系所构成的中国石化高性能纤维及其复合材料的创新平台，上海石化碳纤维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、沈阳至丹东铁路线、辽宁蓡窝水库等9个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；在碳纤维齿轮替代进口塑料齿轮，以及加固修补液相丙烯、抽余碳四、火炬气、甲烷氢、氮气、污水等石化管道、高腐蚀设备、化工车间受腐蚀建筑等方面得到示范应用，效果良好。

上海石化还与胜利油田分公司及其改制企业新大管业科技有限公司合作，开发碳纤维抽油杆，经过5个批次的试验后，抽油杆性能优良，同国外碳纤维水平相当，完全可以取代进口。截至2017年底，胜利油田已使用上海石化碳纤维连续抽油杆试验应用共93口井，累计用杆20.9万米，目前正在进一步推广应用，特别是西北高腐蚀深井。

随着48K大丝束碳纤维的面世，上海石化碳纤维技术有了支撑产业发展的强大动力，迎来更加广阔的应用前景。在传统能源和新能源领域，该公司将开发生产通用级、低成本大丝束、高强高模量级碳纤维原料，重点应用到油田（抽油杆、抽油套管、部件等），常压及高压容器（高压CNG瓶、车载CNG罐，储氢气瓶，压缩空气瓶等），加油站双层罐、车载罐，石化管道修复加固（各种材质、工况的厂区管道，长输原油管线等），大容量风电叶片等；在轨道交通、新能源汽车、民用航空、风电等高端领域，实现商业应用或产业化示范应用。目前，该公司已与海上风电、大型风电、汽车行业等相关项目展开合作意向。