上海石化大丝束碳纤维项目开建!有何优势?国内还有谁在布局?

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1月4日,新年开工天,上海石化48K大丝束碳纤维项目正式开建!在上海市重大项目集中开工仪式金山分会场,总投资达35亿元的上海石化“2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年48K大丝束碳纤维”项目打下了桩基,标志着上海石化大丝束碳纤维从研发试产、产业化,成功走上规模化生产之路。

上海石化大丝束碳纤维重要时间节点

上海石化48K大丝束碳纤维项目,采用自主开发的PAN(聚丙烯腈)基大丝束原丝、碳纤维技术,工艺路线为NaSCN(硫氰酸钠)连续溶液聚合湿法纺丝原丝、氧化、低温炭化、高温炭化及后处理。项目至2024年建成投产后,将填补国内空白。

依托腈纶产业优势,上海石化早在二十世纪八十年代就率先开展对碳纤维的调研和技术研究工作。

2000年后

上海石化决定对腈纶进行产业调整,生产方式与其类似的碳纤维就成为一个很好的发展方向。

2005年3月

上海石化腈纶研究所碳纤维技术开发室应运而生。

2007年

上海石化开始正式立项攻关PAN基碳纤维。

2008年11月

上海石化建成碳纤维中试装置。这条年产200吨聚丙烯腈基原丝中试线,是国内当时唯一的一条百吨级原丝生产试验线,它不仅规避了欧美等国的专利限制,也使得上海石化初步拥有了产业化生产经验的技术路线。

2009年

上海石化成功研制出12K原丝,且原丝炭化后的力学性能已经达到日本东丽T300的水平。

2012年9月

通过采用自行开发的国内独有NaSCN(硫氰酸钠)湿法工艺和自主知识产权成套技术,上海石化年产3000吨原丝、1500吨碳纤维项目一阶段工程建成,形成每年3000吨聚合物、1500吨原丝、500吨碳纤维的工业化年产能。

2015年10月

上海石化召开现场用户推介会,把客户邀请到生产线上,现场体验生产来的碳纤维。这些可以与国际碳纤维质量媲美的碳纤维受到客户的一致好评。

2016年5月

解决技术难关后的上海石化正式开展碳纤维48K大丝束原丝工业化研究试验。

2018年1月

上海石化成功开发了大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化碳化工艺技术,形成了千吨级聚丙烯腈基48K大丝束碳纤维成套技术工艺包的技术基础。3月份,成功试制出了国内真正意义上的48K大丝束碳纤维,并贯通工艺全流程。

2020年3月

上海石化发布公告称,随着大丝束碳纤维应用的不断深入,大丝束碳纤维产品开始出现供不应求的现象,为满足国内市场对碳纤维复合材料需求,促进公司碳纤维产业的技术进步,公司拟投资建设2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年48K大丝束碳纤维项目。

为何要做大丝束碳纤维?

在碳纤维业内,通常将每束碳纤维根数大于48000根(简称48K)的称为大丝束碳纤维。目前,国内每束碳纤维基本处于1000根(1K)~24000根(24K)之间,称为小丝束。大丝束强度和刚度方面的性能不及小丝束,主要用于风电叶片、汽车等领域,被称为“工业级”碳纤维;小丝束主要应用于航空航天等领域,被称为“宇航级”碳纤维。

碳纤维复合材料成本高的主要因素包括碳纤维原材料的生产成本较高和复合材料制备成本高等方面。因此,降低碳纤维复合材料成本的主要路径是降低碳纤维原材料成本,寻求低成本纤维生产工艺以及低成本的CFRP制备工艺。其中,碳纤维原材料生产包括原丝、预氧化、碳化、表面上浆和卷绕成本。目前有效的解决方案之一是发展大丝束碳纤维和新型碳纤维,日本三菱、东丽及美国的卓尔泰克公司(Zoltek)开发的大丝束碳纤维是低成本制造技术的典型代表。(2013年9月,美国Zoltek公司被日本东丽公司收购,Zoltek公司曾获得北美创新产品技术奖的PAN EX35大丝束碳纤维就被东丽收入麾下。)

虽然大丝束碳纤维和小丝束碳纤维有很多共同的优点,但是相对于小丝束碳纤维,大丝束碳纤维有很多特点,主要包括:

1、制件生产效率高

相比小丝束,大丝束碳纤维大的优势,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。而且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,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。

2、价格低

大丝束碳纤维的售价可以控制到小丝束碳纤维的50%~60%。市场上的一些大丝束碳纤维主要性能已经接近甚至超过了部分小丝束碳纤维。但国内企业大丝束成本跟东丽等海外龙头相比存在较大差距,仍需在提高纺丝速度、设备国产化等方面重点攻关。

大丝束碳纤维国内布局

光威复材

投资20亿元在包头建万吨级项目

2019年7月19日晚间,光威复材披露公告,公司与包头九原区政府、九原工业园管委会签署协议,将投资20亿元在包头建设“万吨级碳纤维产业化项目”。项目产品级别根据高强型大丝束碳纤维 24K 及以上的丝束进行设计,同时根据市场需求进行分类, 通过强度、模量、密度等指标分为不同规格的产品进行出售。分三期建设,首期投资5亿元,建设2000吨/年碳纤维生产线一条,建设期为两到三年。并根据一期建设、投产情况和产能消化,结合市场需求进行二、三期建设,终实现10000吨/年的碳纤维产能。

吉林国兴

年产1.5万吨碳纤维项目成功签约

2020年8月3日下午,吉林经开区与吉林化纤集团副总经理孙小君代表政企双方就年产1.5万吨碳纤维项目进行签约,该项目具体分为两部分:吉林国兴碳纤维有限公司投资近10亿元,建设年产5000吨高性能碳纤维项目,预计2022年12月建成投产;同时,以吉林市国兴新材料产业投资有限公司为主体建设年产10000吨差别化大丝束碳纤维项目,总投资15.5亿元,预计2024年建成投产。

兰州蓝星纤维

千吨级NaSCN法50K大丝束碳纤维产业化关键技术及装备研究项目通过鉴定

2020年7月22日上午,兰州纤维以视频会议的形式通过了 “千吨级NaSCN法50K大丝束碳纤维产业化关键技术及装备研究” 项目的技术成果鉴定。该项目立足自主创新,已建成50K大丝束碳纤维的千吨级生产线,其中单线原丝产能达到4000吨、碳纤维达到1500吨,产品性能符合国标GQ3522水平,可以满足碳纤维预浸料的制备要求,产品本征性能和应用工艺性也与进口同类产品不相上下,填补了国内50K碳纤维产品的市场空白。

吉林碳谷

二期年产5万吨碳纤维原丝项目正式启动

2020年9月9日,吉林碳谷第七条原丝生产线一次开车成功,产品质量达到T700级水平,主要生产大丝束碳纤维原丝,年可新增产能10000吨。吉林碳谷经过十余年的创新发展,致力于“大丝束、高品质、通用化”发展战略,产品质量和规模在行业内具有明显的竞争优势。目前,吉林碳谷一期4万吨原丝项目6条生产线正在高速运转,7#、8#生产线正在抓紧调试,9#、10#生产线正在建设施工,该项目实现了从1K到50K原丝产品的优化布局,产品碳化后广泛应用于风电叶片、压力容器、汽车轻量化、体育休闲用品等领域,并成为风电巨头丹麦维斯塔斯的稳定供应商。二期5万吨碳纤维原丝项目投产后,吉林碳谷公司碳纤维原丝产能将达到10万吨,进一步巩固企业竞争优势,促进吉林地区早日建成吉林碳纤维产业园。

大丝束碳纤维技术难点

大丝束碳纤维的制备技术难点主要包括几下几点:

1、每个生产环节的技术难度更大

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,生产1k、3k的小丝束碳纤维的一个喷丝板上会有1000个、3000个孔,但生产是50K大丝束碳纤维的一个喷丝板上会有50000个孔,这本身就具有一定的挑战性。

2、CV值的稳定性

生产50k大丝束碳纤维,就要求一个喷丝板上的50000个孔里喷出来的每根丝的均匀度都一样,相比小丝束碳纤维难度基数大了好几倍。

3、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。但是同样比例的毛丝占比,换到大丝束碳纤维就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。

4、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。

来源:新材料在线、 Carbontech、 严说一点、上海石化在线等,由化工信息周刊整理编辑

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