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中国碳纤维发展的北派和南派
发布时间:2022/3/18 14:44:49   浏览次数:6042

严兵  

江苏澳盛复合材料科技有限公司 市场总监,教授级高工,长期专注于高分子材料及复合材料的研发、生产等技术工作,曾获江苏省创新争先奖状和科学技术奖、中纺联科技进步奖等及碳纤维行业十大知名人物称号。现任教育部工程教育认证专家,中国塑协专家委员会成员,江苏复合材料学会理事,中国复合材料学会会员等。


中国碳纤维发展的北派

中国碳纤维发展中的离不开吉林,吉林基因贯穿中国碳纤维的发展!

首先梳理一下中国碳纤维发展史,我国碳纤维发展起步和国外差不多时间,但后来发展缓慢,直到进入新世纪,发展才有所突破。我们看中国碳纤维发展可以分为三个时期:1、起步期,2、挣扎期,3、产业化突破期。

一、起步期

1962年,位于吉利省会的中科院长春应用化学所成立以李仍元为组长的“聚丙烯腈基碳纤维的研制”课题组,开展大量的基础研究。

1972年,化工部吉林化工研究院开展硝酸法研制碳纤维PAN原丝,并在年产3吨装置上取得硝酸一步法制取原丝,供山西煤化所和长春应化所研究碳纤维。山西煤化所以间接预氧化和碳化研究,并开展连续预氧化和碳化试验。

1975年,国家向吉化试剂厂(现合成树脂厂)下达了一项极为艰巨的科研任务,研制与生产“741”产品,即碳纤维。在桂纯的带领下,科研小组终于按时试制、生产出了合格产品,得到了国家5个部委的通报嘉奖。

1975年11月13~24日在北京召开“7511”会议。国家统筹碳纤维的发展。

我国研制聚丙烯腈基碳纤维始于20世纪60年代中期,起步并不算太晚。在20世纪70年代初期,在实验室已突破连续化工艺,即连续预氧化和碳化。20世纪70年代后期,我国投入很大的财力和人力,力图突破碳纤维的技术难关,已经可以生产出公斤级、百公斤级的碳纤维。

二、挣扎期

1984年,冶金部支持上海碳素厂试图引进美国Hitco碳化设备,最终被美国国防部否决。吉林化学工业公司经过调研、询价,世界各知名碳纤维公司均囿于“巴黎统筹条约”限制,不转让技术、不出售设备,只有英国R K公司同意出售大丝束预氧化炉和炭化炉,经过谈判、考察,最终以450万美元购买了生产能力为100t(12K)/ a碳化设备及相应测试仪器,按当时汇率折合2731万元。国家科委按承诺给了250万美元额度指标和895万元,化工部给了200万美元额度指标,吉化公司自筹1836万元,工程最终决算约为3000万元。1990年经多次试车,预氧化炉尚可,炭化炉始终开不起来。

吉林化工研究院硝酸一步法到1998年终止生产,改同北京化工大学、长春工业大学合作开展DMSO一步法生产碳纤维原丝;兰州化纤厂硫氰酸钠法原丝生产因2005年因停产而终止,改由上海石化腈纶事业部来发展,正在扩建年产3000吨装置;亚砜法由山西煤化所和北京化工大学推广,目前已建立多达10家以上原丝企业,技术主要来源主要为吉林石化和山西煤化所。二甲基乙酰胺法由吉林化纤和长春工业大学合作开发,吉林碳谷有限公司。

1975年到1990年,国外碳纤维进入飞速发展阶段,从航天到民用,忙的不亦乐乎。但国内仅实现从没有到有产品,但一直没突破从实验室到工业化,不能够规模化生产。不少国有大企业在碳纤维产业化上铩羽而归。中国花大价钱从国外买碳纤维,人家还不愿意卖。碳纤维成了典型的卡脖子工程。当然收获也有,那就是PAN基碳纤维原丝基本确定了三种工艺路线,并且延续至今。

3、产业化突破

有感于碳纤维发展的问题,老一辈科学家师昌绪老先生非常痛心。2001年全国人大会议,他向国家领导人提议:

师老是我国金属领域顶级的科学家,此时已经年过八十,去接触一个自己不熟悉的领域,师老的魄力让我们敬佩!

2001年1月师老给中央写了《关于加速开发高性能碳纤维的请示报告》,产生了较大影响,10月,科技部决定设立碳纤维专项。随后,师老出席了各种会议,听取汇报,关注细节,捕捉机会,提出意见,并于2002年11月给基金委领导写了建议报告。最终,2003年初国家自然科学基金委员会批准碳纤维两个重点项目,2005年碳纤维项目被批准为国家重大基础研究项目,获得了宝贵的基础研究经费。在师老的努力下,国产碳纤维的研究步入了新的世纪!

当时,威海的光威拓展勇于担当,挑起了这个大梁,并得到师老的大力支持。当然光威如何发展碳纤维,故事很多,也很激励人心,这方面报道、资料很多,就不详细说了。这里只说一个和吉林相关的例子,这也是在吉林听李董介绍后,仔细查了下资料。

曾经担任中国石油天然气股份有限公司吉林石化公司研究院总工程师陈光大退休后,于2000年受聘于光威集团,成为光威碳纤维研发的技术带头人。他自 1975年开始从事碳纤维的研发工作,基于成功制备硝酸一步法碳纤维而获得国家级奖励。就这样,陈光威任项目总负责人,陈光大教授任技术带头人,他们夜以继日地干起了碳纤维。他们通力合作,攻坚克难,仅用了1年左右的时间,光威集团便完成了碳纤维试验线的调试,生产出了高强型碳纤维样品。

就这样从一个海边小城的一个不知名的民企取得了国产碳纤维的产业化突破。

故事还没结束,在南方的镇江小城丹阳,原来恒宝的老板也决心搞碳纤维,并成立了恒神。2007年3月钱云宝亲赴北京,找到科技部碳纤维项目专家组成员,中国树脂基复合材料第一代专家,北京玻璃钢设计院院长张贵学。由张贵学牵线,钱云宝又登门拜访,请到了碳纤维领域的权威专家陈光大。七十多岁的陈老多次赶到江苏,指导碳化生产线的设计安装,2010年8月,一期碳化生产线试车。

山西煤化所早年就研究碳纤维,2008年4月,中国科学院山西煤化所原碳纤维课题组组长杨永岗博士带领技术团队和T700级碳纤维制备技术落户常州高新区,创办了中简科技公司,并于2019年上市,成为国内碳纤维龙头企业。

不能墙内开花,墙外香。让我们再回到吉林!

吉林市曾搞了30多年碳纤维研究,但一直没有重大突破。吉林市政府和科技部门分析原因后发现,国外碳纤维生产厂家多为轻工企业,拥有生产纤维的丰富经验和实力。于是,2008年吉林市决定把原丝生产项目交给吉林化纤集团,并为集团争取到了150万元科研资金。其中,吉林市科技局出资70万元,那是当年市科技局支出的最大一笔科技扶持资金。

吉林化纤集团接到这一重要任务后,老国企传承下来的“啃硬骨头”的优秀品质被极度激发,集团领导干部带领所有科研人员全力以赴,仅用了一年半时间就小试成功,之后不久又顺利获得了国家发改委的专门立项。2010年1月,国家科技部将吉林省吉林市认定为国家碳纤维高新技术产业化基地,这也是科技部认定的唯一碳纤维产业化基地。

但这也仅仅是吉林的阶段性成果,离真正的量产、可用、好用的碳纤维还有一定距离。吉林的碳纤维基础很好,但受制于体制原因,总是感觉差一口气。后来吉林化纤和绍兴精功合作,并于2018年6月26日签署了关于在碳纤维及其复合材料方面进行战略合作运协议。老国企的肯干、苦干加上南方民企的巧干,并抓紧大丝束碳纤维这一突破口,仅仅几年精功碳纤维就异军突起,2018年碳纤维出货量就达到3000吨左右。

同期吉林精功进行了25-50K大丝束聚丙烯腈原丝及碳纤维的项目鉴定会。

该项目研发出大丝束碳纤维(25K-50K)产业化核心技术及关键装备,其主要创新点包括三方面:采用自主研发的非金属离子无机氧化还原引发体系,研制出适合于制备大丝束碳纤维原丝的高品质聚丙烯腈;研发出制备均质结构原丝的DMAC湿法两步法纺丝技术,实现了单线5000吨级25K-50K原丝稳定生产;研发出预氧化过程大丝束纤维恒定张力控制技术、结合温度智能控制及自动除焦工艺,实现单线2000吨级25K-50K碳纤维稳定生产。项目具有自主知识产权。

考察产线

这标志着由吉林开始的中国碳纤维基因,在中国大地繁衍一番,经过融合、壮大,又回到了吉林这块土地上,开出美丽的花朵、开始收获新的果实。

2019年精功集团爆雷,精功科技只保留装备部分,绍兴精功被宝武收购,吉林精功全面回归吉林。

目前碳纤维已经成了吉林的一个名片,而吉林市也成立了以副市长牵头的碳纤维产业推进领导小组,并在市科技局下专门成立了碳纤维促进处,为全国首创,并对相关企业在电费、政策上给与优惠。相信有如此的重视,和切实的服务,吉林碳纤维产业会发展的更好!

这点可以值得全国其他想发展碳纤维产业的地方学习!

如果从中国碳纤维的发展历史来看,今天取得的成绩,在一定程度上,真的还要感谢吉林呢!


中国碳纤维发展的南派

在武侠小说中,有号称“北少林南武当”的说法,那再碳纤维界,也有南北的起源不同。

言归正传,如果把吉林的碳纤维起源看着中国的碳纤维北派的话,那么中国的南方碳纤维发展没有北方那么热闹,但也是非常有特点的。南派碳纤维的发展有两个起源,其中之一就是台湾地区的碳纤维及以其为主体的碳纤维体育制品。随着台湾地区碳纤维体育用品的壮大,对碳纤维的需求也逐渐增大,而国际碳纤维供应的不稳定,台湾地区开始开发碳纤维。而台塑成为其中的佼佼者。1981年台湾台塑设立碳纤研究中心,1984年台湾台塑与美国Hitco 公司进行技术合作。1980年代末期终于拥有从聚丙烯腈的聚合和纺丝到碳纤维的制备技术。早期质量一般,但台湾地区体育用品需求多,慢慢磨合,终于发展壮大。随着全球风电大发展,台塑还开发出应用叶片生产的大丝束碳纤维,并成为主要供应商之一。目前台塑集团碳纤维TAIRYFIL(台丽)年产能达到8750吨,而且是几大碳纤维企业中从炼化,原丝,碳纤维生产产业链齐全的唯一企业。

把眼光再转回大陆,长江以南碳纤维做的好的(不是碳纤维复合材料),得从东华大学说起,东华大学的前身是华东纺织工学院,后来改成中国纺织大学...后来在全国的一阵改名潮中,和很多化工、农业、石油、煤炭、钢铁、纺织等院校一起把纺织改掉了,可也丢了中国这个名头。

话说1978年,潘鼎先生考入华东纺织工学院(东华大学前身),成了钱宝钧老先生的研究生。钱宝钧先生是中国化学纤维之父,长期从事化学纤维研究和纺织教育工作,推动了中国粘胶纤维的生产发展,创造出纤维热机械分析仪用于开展纤维织态结构研究,对于大分子缠结的研究达国际先进水平。名师出高徒,正是从那时起,他在恩师、中国化学纤维之父钱宝钧教授的指点下,开始潜心专攻碳纤维的理论及产业化问题。

上世纪80年代,我国头号战略武器洲际导弹面临最后两项久攻不克的技术难题。其中一个“拦路虎”就是航天级高纯粘胶基碳纤维。作为洲际导弹弹头防热层关键材料,航天级高纯粘胶基碳纤维的性能、品质直接关系到导弹飞行的质量及成败。因其原料要求极高、制备技术极难,当时只有美、俄两个超级大国拥有,且对我国实行严密禁运、技术封锁。难关攻不下,导弹上不了天!在国家有关部门的支持下,潘鼎教授领衔的碳纤维项目组临危受命,采用国外否定、国内仅有的棉浆基纤维素为原料,先后攻克了“原丝、工艺、强度、排废”等难关,苦战4年,在碳纤维生产的基础理论、工艺技术和制备等方面获得了系列突破,在软硬件技术上获得了大量原创性成果,最终成功研制了集美、俄两国同类产品性能所长的航天级高纯粘胶基碳纤维,为战略武器飞天提供了关键性的技术支持。潘教授此举不仅填补了国内空白,让我国由此成为世界上第三个掌握航天级高纯粘胶基碳纤维研制技术的国家,也为我国国防现代化的升级换代及捍卫国民经济现代化成果作出了贡献。  

这项科研成果还获得了2001年中国高校十大科技进展殊荣、2003年国家科技进步二等奖。该项目还得到了国务院、中央军委颁发的表彰嘉奖,及国防科工委、国家航天局主要领导的多次鼓励和表扬。而在此基础上潘鼎老师的团队对碳纤维进一步展开了研究。

2005年9月29日,中复神鹰的碳纤维项目正式立项(那时的公司名还不叫中复神鹰),确立了“为祖国争光,为民族争气”的发展志向。张国良董事长将其命名为“9·29”项目。

当初张国良走访了国内几乎所有的碳纤维研究专家,因为技术上很难实现产业化,只有潘鼎等少数专家支持他。张国良还清楚地记得,那年9月29日到10月2日,潘教授连着5天给自己及原先从事纺机制造行业的团队系统地上了碳纤维的第一课,从丙烯腈单体到碳纤维乱层石墨结构,从原丝、碳化生产线到飞机、导弹、汽车、自行车等碳纤维复合材料的开发,潘教授深刻、详细的介绍,引发了张国良及企业人员对碳纤维的浓厚兴趣。在潘鼎教授的领衔下,东华大学材料学院科研团队依托材料学国家重点学科、上海市十大重中之重学科、纤维材料改性国家重点试验等国家级科研基地优势,将在一系列国家及省市973等重大基础理论项目研究中获得的成果“全过程缺陷产生及消除”等理论、国内外高性能碳纤维制造关键单元化及集成化技术介绍到企业,在多项江苏省成果转化项目中,共同申报及承担科研任务,为中复神鹰碳纤维通用级产业化及高强高模型碳纤维的制造持续提供了强有力的科技支撑。

而潘鼎老师团队的陈惠芳研究员从两代碳纤维研究者钱宝钧先生和潘鼎先生手中再一次接过接力棒,着力聚丙烯腈基碳纤维的开发。从2009年起,东华大学—中复神鹰碳纤维工程技术中心、东华大学—中复神鹰碳纤维工程研究中心、东华大学材料科学与工程博士后流动站科研基地、鹰游集团碳纤维博士后科研工作站科研基地等协同创新平台陆续成立,提升着企业的研发实力,更为推进碳纤维产业化进程提供了坚实的保障。

在张国良董事长的带领下,也是在东华大学的帮助下,中复神鹰取得了一系列的全国第一:第一个实现千吨T300碳纤维产业化生产、第一个实现干喷湿纺T700碳纤维的技术突破、2017年更是获得了碳纤维行业第一个科技进步一等奖。

而中复神鹰经过多年的发展,也成为行业内的领先企业,目前中复神鹰正在科创板的IPO过程中,预计今年底明年初将成为继光威复材和中简科技后国内第三个主营业务为碳纤维的上市公司,在目前碳纤维产业火爆的情况下,到时肯定会受追捧。


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