國內大絲束碳纖維技術“破爐而出” 上海石化助力“上海智造”

經過聚合、紡絲、牽伸“熱身”，再入氧化碳化“爐烤”，48K大絲束碳纖維一身黑亮，“破爐而出”――中國石化上海石化股份公司的此項“PAN（聚丙烯腈）基大絲束原絲及碳纖維技術及工藝包開發”項目，日前通過中國石化組織的國內權威專家組鑒定，大絲束整體技術達到國際先進水平。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量新型纖維材料。其力學性能優異，比重不到鋼的1/4，強度卻是鋼的7—9倍，并且還具有耐腐蝕性、高模量的特性，被稱為“新材料之王”，也被稱為“黑黃金”，在各行各業有著廣泛的應用前景。

在碳纖維行業內，通常將每束碳纖維根數大于48000根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維。目前，國內每束碳纖維基本處于1000根(1K)－12000根(12K)之間，稱為小絲束。48K大絲束最大的優勢，就是在相同的生產條件下，可大幅度提高碳纖維單線產能和質量性能，并實現生產低成本化，從而打破碳纖維高昂價格帶來的應用局限。

據上海石化腈綸部總工程師黃翔宇介紹，從12K小絲束到48K大絲束，并不是把噴絲口數量從1.2萬個放大到4.8萬個這么簡單，中間要走過一條十分艱難的攻關之路，這需要深厚的科研理論作指導，豐富的實踐經驗作支撐，才能解決很多關鍵的技術難點，而上海石化經過10年磨一劍，創造了這一條件?？梢哉f，從12K到48K的成功突破，標志著上海石化碳纖維技術從量變到質變的飛躍，不僅填補了國內空白，而且達到了國際先進水平，這將對“上海智造”工業產生巨大的推動作用。

上海石化是國內特大型煉化一體化企業之一，也曾是國內最大的腈綸生產企業。依托腈綸產業優勢，該公司早在上世紀八十年代就率先開展對碳纖維的交流調研和技術研究工作。2007年，中國石化決策部署PAN基碳纖維的研發和產業化攻關工作，并將建設項目落實在了上海石化。

碳纖維有著森嚴的技術壁壘，迄今為止核心技術也只有日本、美國等少數發達國家擁有并掌握。對此，上海石化在中國石化、上海市的大力支持下，與上海石化研究院、上海工程公司、復旦大學等數十家科研院所、高校、企業等一起，走出了一條以企業為主體的“產、學、研、用”相結合的協同創新之路，并憑借高校強大的基礎理論研究與企業的工程化技術開發無縫對接，不“摸黑前行”，不“無謂模仿”，不“盲目試錯”，在明確目標的指引下，少走彎路，跨越鴻溝，取得了技術的積累。

在各方團隊的齊心協力下，碳纖維攻關快速推進：2008年11月，建成中試裝置；2009年3月，成功研制出12K原絲。

2012年9月，采用自行開發的國內獨有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝和自主知識產權的成套技術，上海石化年產3000噸原絲、1500噸碳纖維項目一階段工程建成投產，形成了每年3000噸聚合物、1500噸原絲、500噸碳纖維的工業化生產能力。

上海石化碳纖維項目得到了國家、中國石化和上海市政府的高度重視和大力支持，“年產3000噸PAN原絲產業化示范工程”被列為國家高技術項目，“PAN基碳纖維成套技術攻關”被列為中國石化2010-2017年十條龍項目，“年產1500噸PAN基碳纖維項目”被列為上海市創新和高新技術產業發展重大項目。在此期間，該項目共承擔國家863項目1項，973項目1項，國家發改委項目2項，上海市政府項目5項，獲政府攻關資助2638萬元。期間，中國石化共累計申請碳纖維相關專利179項、授權62項。據2016年統計，中國石化碳纖維相關專利申請數排名全國第一、全球第四。

黃翔宇說，特別是在參與承擔國家863項目、973項目中，與科研院所的深度融合，使基礎研究理論成果更好地應用于技術研發上，為推進大絲束整體技術研發起到了積極作用。

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2016年5月，上海石化開展碳纖維48K大絲束原絲工業化研究試驗。2018年1月，成功開發了大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化炭化工藝技術，形成了千噸級PAN基48K大絲束碳纖維成套技術工藝包的技術基礎。3月份，成功試制出了國內真正意義上的48K大絲束碳纖維，并貫通工藝全流程。據測試，48K大絲束原絲經過氧化炭化成48K碳纖維大絲束后，單絲強度達到高性能。這為上階段通用級碳纖維（小絲束+大絲束）的技術升級，以及高性能碳纖維的生產，打下了堅實的基礎。

據了解，一階段千噸級碳纖維裝置開車以來，截至2018年5月，裝置已累計生產原絲4286噸，生產碳纖維709噸。獨特的NaSCN濕法原絲工藝，使生產的碳纖維具有優異的表面結構和界面性能，可要極大增強碳纖維復合材料性能。

憑借上海石化這一國家首批命名的“合成纖維國家工程研究中心”、上海石化與上海石化院共建的“中國石化碳纖維及其復合材料重點實驗室”、上海石化院與七家企業研究院建成投用的“合成纖維加工應用中心（FTC）”三大體系所構成的中國石化高性能纖維及其復合材料的創新平臺，上海石化碳纖維已經在傳統能源領域顯現身手。在莫桑比克N6公路、天津津濱高速立交橋、沈陽至丹東鐵路線、遼寧蓡窩水庫等9個病險基礎設施維修工程中，采用碳纖維拉擠板材加固，不僅施工高效便捷，而且結構承載力明顯提高；在碳纖維齒輪替代進口塑料齒輪，以及加固修補液相丙烯、抽余碳四、火炬氣、甲烷氫、氮氣、污水等石化管道、高腐蝕設備、化工車間受腐蝕建筑等方面得到示范應用，效果良好。

上海石化還與勝利油田分公司及其改制企業新大管業科技有限公司合作，開發碳纖維抽油桿，經過5個批次的試驗后，抽油桿性能優良，同國外碳纖維水平相當，完全可以取代進口。截至2017年底，勝利油田已使用上海石化碳纖維連續抽油桿試驗應用共93口井，累計用桿20.9萬米，目前正在進一步推廣應用，特別是西北高腐蝕深井。

隨著48K大絲束碳纖維的面世，上海石化碳纖維技術有了支撐產業發展的強大動力，迎來更加廣闊的應用前景。在傳統能源和新能源領域，該公司將開發生產通用級、低成本大絲束、高強高模量級碳纖維原料，重點應用到油田（抽油桿、抽油套管、部件等），常壓及高壓容器（高壓CNG瓶、車載CNG罐，儲氫氣瓶，壓縮空氣瓶等），加油站雙層罐、車載罐，石化管道修復加固（各種材質、工況的廠區管道，長輸原油管線等），大容量風電葉片等；在軌道交通、新能源汽車、民用航空、風電等高端領域，實現商業應用或產業化示范應用。目前，該公司已與海上風電、大型風電、汽車行業等相關項目展開合作意向。