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48k大丝束碳纤维技术难点重重,吉林化纤为何能啃下这块“硬骨头”?

http://www.textile.hc360.com2018年09月07日14:51 来源:中国纺织报T|T

    对于日本、美国这样的碳纤维强国来说,大丝束碳纤维制备技术是其碳纤维行业实现低成本化的关键技术之一,大丝束也是碳纤维在工业领域大面积应用的主要技术路径。中国碳纤维产业接下来要想进一步增强竞争力,大丝束是个重要的发展方向,也因此,大丝束近几年成为我国市场上各方关注的热点。但是,因为制备技术难度大,大丝束成为“一块难啃的硬骨头”,令不少国内的碳纤维企业望而生畏。不过,这一情况正在被龙头企业一步步突破。

    近期,从吉林化纤集团(以下简称“吉林化纤”)传出消息,该公司自主研发的48k大丝束碳纤维原丝顺利通过碳化并持续批量生产,且碳化效果远超预期,各项指标均超过了日本东丽T300级产品的水平,成为继24k碳纤维成功市场化后的又一碳纤维新产品。

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    那么,吉林化纤在大丝束方面有了哪些新突破?大丝束碳纤维制备技术的难点具体体现在哪些方面?其未来的市场发展前景如何?日前,《中国纺织报》记者就上述问题进行了深入采访。

    攻下48k碳纤维碳化技术

    碳纤维生产中所说的1k,是指一根碳纤维原丝中含有1000根单丝。按照业内的标准,每束碳纤维中的单丝根数小于24k的碳纤维,比如1k、3k的碳纤维都属于小丝束碳纤维,每束碳纤维中的单丝根数大于或等于24k的碳纤维属于大丝束碳纤维。

    相比小丝束,大丝束碳纤维的生产效率更高,在复合材料制备过程中的铺层效率也更高,生产成本却能降低约30%以上。从国际市场看,大丝束碳纤维目前主要用于风电叶片、能源建筑等工业市场。

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    吉林化纤此次成功通过碳化的48k碳纤维原丝,是指原丝中含有48000根单丝,属于大丝束。48k大丝束碳纤维最大的优势,就是在相同的生产条件下可大幅度提高碳纤维的单线产能,实现生产的低成本化,有助于打破碳纤维因价格较高带来的应用局限,为碳纤维复合材料进一步拓展应用市场奠定基础。

    吉林化纤从2017年7月开始研究48k大丝束碳纤维原丝,借鉴24k碳纤维原丝生产经验,对原液流程实施再造,对关键装备技术进行升级。今年7月,公司成功地开发出了48k碳纤维原丝的聚合、纺丝工艺技术,形成了千吨级PAN基48k碳纤维原丝技术工艺包,批量试生产出48k碳纤维原丝。从产品面世到质量稳定,吉林化纤研发团队先后攻克了线密度控制难、水洗效果不均匀、原丝强度不稳定等难题。

    事实上,去年年底,吉林化纤8000吨大丝束碳纤维碳化项目一期2000吨生产线已试车成功,随后实现了稳定运行,标志着我国的大丝束碳纤维生产技术迈出了重要一步,这为此次成功实现48k大丝束碳纤维原丝的碳化奠定了坚实基础。其整体的8000吨大丝束碳纤维碳化项目预计将于明年年末完成。

    吉林化纤生产出48k原丝后,第一时间到2000吨/年的碳化生产线进行氧化、碳化试验,上下游联合攻关,从小试、中试到批量碳化,反复调整、验证,最终实现了100束48k碳纤维原丝的顺利碳化。据测试,48k大丝束碳纤维的拉伸强度、拉伸模量、层间剪切强度等指标均能满足应用需要。至此,吉林化纤在真正意义上生产出了国内首批48k大丝束碳纤维。

    实现48k大丝束碳纤维的批量生产具有重大意义。业内人士指出,只有不断攻克碳纤维制备技术,始终坚持自主创新,持续提高我国碳纤维的产业化水平,并持续推进低成本化,才能使我国碳纤维更广泛地应用于风电叶片、油田、常压及高压容器、轨道交通等工业领域,从而为中国制造由大变强提供坚实保障。

    大丝束技术难点呈系统性

    有机构预计,未来几年大丝束碳纤维的年均需求增速将超过16%,预计到2020年,全球市场对大丝束碳纤维的需求量将达到15万吨,中国市场对其的需求量将达到7.7万吨。

    吉林化纤集团公司董事长宋德武介绍,此前几十年,国际碳纤维产业的发展和壮大主要由日本东丽等碳纤维领头企业,以及波音、空客这样的航空航天领域的下游应用企业合力推进,航空航天领域也一直是碳纤维最主要的应用市场。在这个技术体系下,碳纤维制备技术主要走的是小丝束、高强度路线。中国碳纤维产业近10多年的快速发展主要也是按照这个思路朝前走。但发展到目前这个阶段,小丝束碳纤维应用市场的增幅趋缓,因此,吉林化纤在保持小丝束碳纤维原丝生产的既有产业基础上,这几年向着“低成本、大丝束、通用化、高品质”的方向努力。

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    但是,大丝束技术就像一块难啃的“硬骨头”,企业并不是轻松松松就能啃得动。据了解,目前我国能生产大丝束碳纤维原丝的企业仍是少数,真正实现市场化的更是寥寥无几。而原丝工艺分为湿法二步法工艺和DMSO(干喷湿法)工艺,吉林化纤使用的是湿法二步法。那么,大丝束碳纤维的制备技术究竟难在哪些方面?

    难点一是大丝束碳纤维生产此前并没有一个明确的标准和健全的体系,这给其研发增加了很大难度。相比小丝束,在原丝、聚合、预氧化、碳化等多个系统环节,大丝束碳纤维的制备技术都更难。比如,如果生产的是1k、3k的小丝束碳纤维,一个喷丝板上会有1000个、3000个孔,但如果生产的是48k大丝束碳纤维,一个喷丝板上会有48000个孔,这本身就具有一定的挑战性。

    难点二是CV值的稳定。如果是生产3k小丝束碳纤维,要求一个喷丝板上的3000个孔里喷出来的每根丝的均匀度都一样,这相对容易;但如果是生产48k大丝束碳纤维,就要求一个喷丝板上的48000个孔里喷出来的每根丝的均匀度都一样,基数大了好几倍,难度自然相当大。

    难点三是毛丝问题。毛丝问题通常伴随着纺丝过程一直存在,企业要做的是将毛丝的占比控制在合理范围内。如果是生产1k的碳纤维,按照1%的毛丝占比,会出10根毛丝,这看上去并不明显;但如果是生产48k碳纤维,按照同样的毛丝占比,将会出现400多根毛丝,这会使毛丝看上去比较明显。因此,如何控制好大丝束碳纤维的毛丝占比是个大难题,目前国际上也没有这方面的标准。

    难点四是碳化环节。大丝束碳纤维原丝生产出来后,在碳化环节还将面临不少新挑战。比如,毛丝的问题在原丝上体现得可能并不明显,但在碳化环节有可能会凸显出来,因为在碳化环节会发生剧烈的化学反应,有可能会导致纤维分子结构中的某些键断裂等现象发生。

    而要解决这些难题,企业需要从单体的配比、工艺配方的改进、每一道生产环节的摸索完善等方方面面下功夫。可以发现,大丝束的制备技术是一项复杂的系统工程。要想攻克这些难题,就意味着企业必须持续不断地进行技术攻关,而这通常是个难度大、投入高、见效慢的长期过程,也考验着企业在资金、技术、人才、装备等方面的综合水平。

    难能可贵的是,吉林化纤这几年不断攻克技术难关,一步步啃下了大丝束这块“硬骨头”,并逐步得到了市场认可。记者了解到,今年1~7月,吉林化纤碳纤维原丝销量为3834吨,同比增长102%, 主要原因就是24k、25k碳纤维原丝销量良好。

责任编辑:高钰

Tel:010-61723967

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