記者 | 侯瑞寧
“新材料之王”——碳纖維在中國(guó)增添了新的應(yīng)用場(chǎng)景。
2月11日，界面新聞從中國(guó)石化新聞辦獲悉，近日中國(guó)石化上海石化自主研發(fā)生產(chǎn)的碳纖維成功應(yīng)用于廣州地鐵18號(hào)線“灣區(qū)藍(lán)”高速列車。
中國(guó)石化提供的數(shù)據(jù)顯示，使用碳纖維復(fù)合材料的列車車頭罩，性能完全符合運(yùn)行條件，與同等模塊的鋁合金材料相比，可減輕重量達(dá)35%-40%，有效助力列車減重提速。
廣州地鐵18號(hào)線是國(guó)內(nèi)第一條時(shí)速160公里的全地下市域快線，被譽(yù)為粵港澳大灣區(qū)最快地鐵。擔(dān)任運(yùn)營(yíng)任務(wù)的“灣區(qū)藍(lán)”列車，是國(guó)內(nèi)首列車頭罩采用碳纖維復(fù)合材料的地鐵列車。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度新型纖維材料，質(zhì)量是鋼的四分之一，強(qiáng)度是鋼的7-9九倍，耐腐蝕，被稱為“新材料之王”或者“黑黃金”。
碳纖維技術(shù)壁壘較高，目前只有日本、美國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有并掌握。
中國(guó)在20世紀(jì)六七十年代開(kāi)始進(jìn)行碳纖維研究，2000年起進(jìn)入發(fā)展新階段，2007年產(chǎn)能進(jìn)入飛速發(fā)展階段，先后出現(xiàn)了多家碳纖維生產(chǎn)企業(yè)。
目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)碳纖維的企業(yè)，包括中簡(jiǎn)科技(300777.SZ)、中復(fù)神鷹碳纖維股份公司、恒神股份(832397.NQ）、上海石化(600688.SH)、光威復(fù)材(300699.SZ)和吉林化纖集團(tuán)等。
上海石化是國(guó)內(nèi)較早研發(fā)碳纖維并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。
2007年，中國(guó)石化開(kāi)始PAN基碳纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)工作，由上海石化負(fù)責(zé)項(xiàng)目建設(shè)。2008年11月，中試裝置建成；2009年3月，研制出12K原絲。1K代表一束碳纖維中有1000根絲，12K即一束碳纖維中有1.2萬(wàn)根絲。
2012年9月，上海石化碳纖維項(xiàng)目一階段工程投產(chǎn)，具備年產(chǎn)3000噸聚合物、1500噸原絲、500噸碳纖維的生產(chǎn)能力。該項(xiàng)目采用了國(guó)內(nèi)獨(dú)有的硫氰酸鈉（NaSCN）濕法工藝成套技術(shù)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
2021年5月，上海石化年產(chǎn)1000噸碳纖維生產(chǎn)線建成投產(chǎn)。工程二階段項(xiàng)目正在建設(shè)中，達(dá)成后整個(gè)工程將年產(chǎn)3000噸原絲、1500噸碳纖維。
碳纖維和口罩“同宗同源”，原料均為石油。
石油被開(kāi)采出來(lái)后進(jìn)入煉廠，經(jīng)過(guò)常減壓裝置蒸餾處理，從中提取石腦油等組分。將石腦油送到溫度為700-900攝氏度的乙烯裂解爐中，將其裂解成丙烯。
當(dāng)丙烯與氨氣、氧氣混合，在催化劑作用下，會(huì)發(fā)生丙烯氨氧化反應(yīng)，便得到了碳纖維的原料——丙烯腈。丙烯腈單體經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)，不斷連接在一起，形成具有螺旋結(jié)構(gòu)的聚丙烯腈大分子長(zhǎng)鏈。
這些長(zhǎng)鏈卷曲纏繞在一起，形成了聚合物聚丙烯腈。之后在聚丙烯腈中加入特殊溶劑，纏結(jié)在一起的大分子鏈變成流動(dòng)的紡絲液體。
通過(guò)機(jī)械剪切和管道輸送，這些大分子逐漸有序排列，紡絲液從噴絲板的噴絲孔里高速擠出，在特制的溶液中凝固成型。經(jīng)過(guò)一系列的機(jī)械拉伸，形成致密規(guī)整的白色原絲。
白色原絲經(jīng)過(guò)氧化、高低溫碳化等連續(xù)工藝，顏色從白變黃，再?gòu)狞S變黑，纖維也越變?cè)郊?xì)，最終形成“黑黃金”碳纖維。
碳纖維按纖維數(shù)量不同可分為小絲束和大絲束。據(jù)中國(guó)石化介紹，通常將每束碳纖維根數(shù)大于48K的稱為大絲束碳纖維。目前國(guó)內(nèi)碳纖維基本每束處于10K-12K之間，為小絲束；大絲束碳纖維大部分依賴進(jìn)口，長(zhǎng)期供不應(yīng)求。
上海石化是中國(guó)石化系統(tǒng)內(nèi)唯一研發(fā)生產(chǎn)碳纖維的企業(yè)，也是內(nèi)第一家率先突破48K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的企業(yè)。
48K大絲束最大的優(yōu)勢(shì)是，在相同生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能和質(zhì)量性能，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價(jià)格帶來(lái)的應(yīng)用局限。
吉林化纖集團(tuán)在大絲束碳纖的工藝也處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。
2017年7月，吉林化纖集團(tuán)下屬吉林碳谷碳纖維有限公司在24K原絲經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開(kāi)始研究48K大絲束碳纖維原絲。
2018年7月，該公司開(kāi)發(fā)出48K碳纖維原絲的聚合、紡絲工藝技術(shù)，形成了千噸級(jí)48K碳纖維原絲技術(shù)工藝包。
就碳纖維下游應(yīng)用市場(chǎng)而言，前景廣闊。
其中，航空航天占比最高，達(dá)到37.7%。風(fēng)電、光伏和氫能源這三大碳中和主戰(zhàn)場(chǎng)，也是碳纖維重要應(yīng)用領(lǐng)域，分別應(yīng)用在風(fēng)電葉片、碳碳復(fù)材和壓力容器。
根據(jù)賽奧碳纖維發(fā)布的研究報(bào)告，2020年全球碳纖維市場(chǎng)規(guī)模為26.15億美元。
根據(jù)長(zhǎng)江證券測(cè)算，中國(guó)碳纖維市場(chǎng)將從2020年的63億元增長(zhǎng)至2025年的164億元，到2030年將進(jìn)一步增長(zhǎng)至433億元。
自2019年起，中國(guó)石化和中國(guó)中車一起攻克了碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用關(guān)鍵核心技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料在“灣區(qū)藍(lán)”上的應(yīng)用。
中國(guó)石化稱，下一步將在廣州地鐵22號(hào)線列車上應(yīng)用碳纖維材料。
此外，中國(guó)石化和中國(guó)中車的研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展應(yīng)用于時(shí)速400公里高速列車、磁懸浮列車等更高性能等級(jí)車型的碳纖維復(fù)合材料技術(shù)攻關(guān)。
北京冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”的材料，也是來(lái)自中國(guó)石化的碳纖維。
這是全球首次實(shí)現(xiàn)以碳纖維復(fù)合材料制作奧運(yùn)火炬外殼，解決了氫燃料燃燒時(shí)火炬需要耐高溫的技術(shù)難題。該外殼能夠在高于800攝氏度的氫氣燃燒環(huán)境中正常使用。
本次冬奧會(huì)火炬外殼分成兩段：上段燃燒段和下段普通段，上下段采用膠接的方式，形成火炬整體外殼預(yù)制件。
其中，火炬上段采用碳纖維陶瓷基復(fù)合材料，耐高溫性能優(yōu)異，滿足火炬上段燃燒環(huán)境的使用；下段采用碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，力學(xué)強(qiáng)度高，滿足火炬的整體使用強(qiáng)度。