干喷湿纺高强/中模碳纤维产业化关键技术:让中国用上自己的碳纤维

2019-07-11  来源:中国化工报

        2017年获得国家科技进步一等奖的干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用项目,突破了干喷湿纺高强/中模碳纤维产业化关键技术,实现了国产碳纤维批量供应,填补了我国以干喷湿纺工艺为代表的高性能碳纤维生产技术空白,更打破了国外高性能碳纤维企业对我国市场的长期垄断。
 
  据该项目第一完成人、中复神鹰碳纤维公司董事长张国良介绍,碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料,被称为“新材料之王”,广泛应用于航空、航天和国防军工、体育器材等领域,是国家安全、武器装备急需的关键战略物资,也是国外长期技术封锁和产品垄断的敏感材料。
 
  我国碳纤维研究始于上世纪60~70年代,但是由于生产周期长,而且生产工艺涉及高分子聚合、高分子聚合物凝固成形、高温氧化碳化等多种物理和化学形态的变化,研发一直处于实验室小规模生产测试阶段。再加上生产技术设备落后,碳纤维质量和性能稳定性也较差,我国碳纤维市场曾长期处于进口产品垄断状态,高昂的进口价格和严苛的技术封锁,严重制约着我国碳纤维的发展。
 
  2000年8月,我国专门成立了以两院院士师昌绪为组长的“聚丙烯腈基(PAN)碳纤维发展对策研究”课题组。时任国家主席胡锦涛和总理温家宝多次批示,必须把我国碳纤维及其复合材料搞上去。
 
  在这样的时代背景下,中复神鹰联合东华大学、江苏鹰游纺机有限公司开展了国产碳纤维的研发攻关。研发团队突破了制备高性能碳纤维的先进技术——干喷湿纺。“与湿法碳纤维相比,干喷湿纺技术产品力学性能大幅提升、生产效率显著提高、能耗大幅降低,成为生产高性能碳纤维的全新技术。”张国良介绍道。干喷湿纺工艺被认为是今后碳纤维生产的主流工艺,但也是碳纤维行业公认的难以突破的纺丝技术,此前国际上仅有少数几家国外公司掌握。
 
  这一关键技术的突破,使纺丝速度可以达到每分钟400米以上,是传统湿法纺丝的5倍。突破干喷湿纺关键技术后,研究团队又开发了均质聚合系统、高效环保脱单、稳定干喷湿纺、节能预氧化成套技术,打造了我国首个采用干喷湿纺工艺的千吨级碳纤维生产线。
 
  如今,随着技术的不断革新改进,该条生产线在实现连续化稳定生产的同时,产出的碳纤维产品性能和品质都有了大幅提高,力学性能达到进口T700S碳纤维水平,并批量供应市场,极大促进了我国碳纤维复合材料产业的发展。中国工程院院士孙晋良这样评价,该项目建设的基于干喷湿纺工艺的碳纤维生产线,研发技术水平达到国内领先,部分性能指标超过国外同类产品水平。据国内碳纤维行业权威测试中心北航和北化国家实验室测试,该项目生产碳纤维一致性指标达到国际先进水平。
 
  目前,中复神鹰已成为我国唯一、世界第三个攻克干喷湿纺工艺难题的企业,其碳纤维年产能达到6000吨,连续多年在国内纤维市场占有率达60%。
 
  历时12年,投入资金超过20亿元,中复神鹰连续攻克了碳纤维生产原液制备技术,设备生产技术,PAN纤维快速均质预氧化、碳化集成技术,并构建了干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化生产体系,建成了首套具有完全自主产权的干喷湿纺碳纤维生产成套装备。“然而我们的产品在某些方面与国外先进的产品相比还有差距,比如品种结构不齐全,但我相信通过努力,要赶上国外碳纤维的水平指日可待。”张国良表示。
 
  截至目前,该项目已获授权专利17项,其中发明专利13项,发表论文41篇,开发的T700与T800碳纤维产品已经应用到航空航天、碳芯电缆等领域,T1000和T1100碳纤维的技术攻关也正在进行。
 
  “未来,我们还要继续做中国人自己的碳纤维。我们将立足于干喷湿法碳纤维技术,在‘十三五’期间建成万吨级碳纤维生产基地,不断提高和完善国产碳纤维性能,开发更高强度和模量的产品,进一步降低生产成本,早日实现进口产品的替代。”张国良这样说。

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