先進復(fù)合材料特種纖維及其系列制品產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展

先進復(fù)合材料特種纖維及其系列制品產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展

河北谷峰化工有限公司（以下簡稱“谷峰企業(yè)”）成立于2001年12月，是國家高新技術(shù)企業(yè)、省級創(chuàng)新企業(yè)、國家“863”計劃領(lǐng)導(dǎo)下的學(xué)術(shù)單位，也是國家武裝工具養(yǎng)殖辦公室的骨干。國家“火力計劃”邯鄲新材料工業(yè)區(qū)是一家擁有100多年歷史的企業(yè)。它是河北省著名的科學(xué)研究單位和河北省從事公共事務(wù)和知識產(chǎn)權(quán)的10家企業(yè)。其主要產(chǎn)品包括：硅、氟新材料系列產(chǎn)品、t700纖維、纖維復(fù)合芯線、方聯(lián)1414纖維和一系列產(chǎn)品。硅谷公司組織機構(gòu)健全,管理科學(xué)規(guī)范,研究與試驗條件齊備,生產(chǎn)設(shè)施先進,經(jīng)營理念創(chuàng)新,通過了GB/T19001質(zhì)量體系認證、GB/T24001環(huán)境管理體系認證和OHSAS18000職業(yè)健康安全管理體系認證。硅谷公司科技力量雄厚,薈集了一批資深的化工、新材料專家,成立了河北硅谷化工研究院和省級企業(yè)技術(shù)中心,與國內(nèi)多家高等院校、科研院所建立了緊密的合作關(guān)系,例如,陜西科技大學(xué)在硅谷公司設(shè)立了博士后科研流動站工作基地,硅谷公司與東華大學(xué)合作成為國家“973”計劃芳綸項目科研基地。一、關(guān)于特殊纖維和其他產(chǎn)品的介紹1.ccf-3型碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)碳纖維既有碳材料的固有特性,又兼具紡織纖維的柔軟可加工性,是先進復(fù)合材料最重要的增強材料之一。它是發(fā)展先進武器裝備重要的原材料,特別是戰(zhàn)略導(dǎo)彈和殲擊機急需的高性能纖維之一,也是衛(wèi)星、航天航空、核能設(shè)備及隱形武器等迫切需要的結(jié)構(gòu)和功能材料的主要增強材料,在建筑補強、石油工業(yè)、海洋開發(fā)、交通運輸?shù)让裼梅矫娴玫綇V泛應(yīng)用。硅谷公司在各個工藝節(jié)點上建立結(jié)構(gòu)形態(tài)-工藝相關(guān)性的關(guān)系,有效地控制了碳纖維制備過程中缺陷的形成,突破了碳纖維性能強度低、不穩(wěn)定、離散度偏高的難題,提高了聚丙烯腈(PAN)基原絲和碳纖維的性能及穩(wěn)定性,使其達到國外同類產(chǎn)品的先進水平。CCF-3型(碳纖維產(chǎn)品中性能比較強的專用型號)高性能碳纖維以丙烯腈、衣康酸等為反應(yīng)單體,采用二甲基亞砜(DMSO)為溶劑,偶氮二異丁腈為引發(fā)劑,經(jīng)聚合、紡絲等工序生產(chǎn)原絲,然后再經(jīng)預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理等工序來生產(chǎn),并在生產(chǎn)中采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多項核心技術(shù),如低單體平衡濃度下的間歇連續(xù)聚合、蒸汽牽伸、水洗、二次上油、多級凝固等。硅谷公司的CCF-3型高性能碳纖維項目,設(shè)計規(guī)模為年產(chǎn)1200t,其中,聚丙烯腈原料合成能力為300t/a,原絲生產(chǎn)能力為3000t/a,碳纖維生產(chǎn)能力為1200t/a。在碳纖維生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,硅谷公司開發(fā)了碳纖維制品的應(yīng)用,其規(guī)模如下:碳纖維抽油桿,初期碳纖維需求500t,二期需求達到1000t;高壓氣瓶,初期碳纖維需求300t,二期達到600t;風力發(fā)電機、建筑補強布、短切增強工程塑料等,初期碳纖維需求200t,二期500t。CCF-3型高性能碳纖維項目技術(shù)路線結(jié)合了國內(nèi)外腈綸工業(yè)化生產(chǎn)的成功經(jīng)驗和科研單位多年的研究成果,融國家“十五”攻關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)為一體,正在開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原絲生產(chǎn)制備工藝。該工藝與現(xiàn)有的濕法紡絲一步法相比,具有生產(chǎn)穩(wěn)定性好、分子量分布窄、原液黏度可控性好、生產(chǎn)效率高等特點,是國際上CCF-3型碳纖維開發(fā)應(yīng)用的優(yōu)選方案。目前,硅谷公司CCF-3型高性能碳纖維項目廠區(qū)4.67hm2(70畝)土地已征購,項目環(huán)評已完成。廠區(qū)辦公樓、職工宿舍和食堂、倉庫和試驗車間已建成,原絲車間、碳化車間已完成;主要設(shè)備已訂購;原絲車間設(shè)備已安裝,正在進行工藝試驗生產(chǎn);碳化主要設(shè)備已試制完成或訂購,部分已到廠;輔助設(shè)施基本完成。近年來,在國家“863”計劃碳纖維專項的支持下,我國碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)水平有了可喜的進步,已經(jīng)實現(xiàn)了CCF-1型碳纖維百噸級的規(guī)?；a(chǎn),CCF-3型碳纖維的研發(fā)也取得明顯進展。但從產(chǎn)量上看,國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)的總能力約為3000t/a,但年需求量卻達到近10000t,占國際市場總量的1/5～1/4。據(jù)統(tǒng)計,1996-2002年國內(nèi)碳纖維消費年均增長率超過20%。因此,隨著市場需求的增加,特別是國防、軍工、航天航空、體育用品方面的需求增加,每年主要依靠從國外進口碳纖維,已經(jīng)難以滿足需求。2.電力傳輸系統(tǒng)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是將碳纖維與玻璃纖維進行預(yù)拉伸后,在環(huán)氧樹脂中浸漬,然后在高溫模子中固化成型為復(fù)合材料芯線,再以軟鋁作為復(fù)合芯線外圍環(huán)形導(dǎo)電層材料,通過與復(fù)合芯絞合而成。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的關(guān)鍵技術(shù)包括復(fù)合芯的原料配比、拉擠工藝的溫度和拉擠速度的控制,其生產(chǎn)工藝流程可見圖1、圖2。我國土地資源有限,輸電走廊的選擇受到制約,提高單位走廊傳輸功率的需求日益迫切。此外,輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求,由于過負荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生,電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線相比,可提高傳輸容量1倍,減少傳輸中電力的損耗,減少20%的塔桿用量,節(jié)省用地,減少有色金屬資源消耗,有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效、節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)。硅谷公司在技術(shù)研究上已實驗成功碳纖維復(fù)合芯的拉擠制造技術(shù)工藝,研究了拉擠生產(chǎn)線的設(shè)備定型配置、拉擠原料配比、拉擠速度、拉擠時間、拉擠溫度、拉擠長度、卷裝等。目前,硅谷公司已經(jīng)建成16條碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線生產(chǎn)線,另有40條生產(chǎn)線正在安裝調(diào)試階段,生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)檢測和掛網(wǎng)試驗,各項指標均達到國家標準,并已具備了規(guī)?；a(chǎn)的條件,產(chǎn)品已在北京萬順三線、九江發(fā)電廠、河南周口謝—安線、南京東科殷—線、烏魯木齊紅—滿線、廊坊邵—翟線、武漢沌口變擴線、南京梅山板電1#、2#送變電線路及板橋變110kV線路改造工程、樂山110kV江—風線等9條線路上掛網(wǎng)應(yīng)用,且掛網(wǎng)運行狀況良好,全部達到了設(shè)計要求。隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,對電力的需求也日益增長,近幾年電力部門轉(zhuǎn)變過去“重發(fā)輕供”的思想,開始“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”,這使城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)速度加快,給電線電纜行業(yè)的發(fā)展提供了難得的機遇和廣闊的市場空間。我國架空輸電線路所使用的導(dǎo)線基本上仍是傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線,年需求量達60萬km以上。目前碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是唯一能替代傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的產(chǎn)品,由此可見,在當前乃至今后很長一段時間內(nèi),碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線將成為最具發(fā)展?jié)摿?、最具市場競爭力的新型?dǎo)線品種。3.原位芳綸的制備河北硅谷化工有限公司多年來集聚大量的新材料領(lǐng)域?qū)＜?特別是國內(nèi)對位芳綸(芳綸1414)纖維研發(fā)專家的加盟,加快了對位芳綸纖維項目的研發(fā)進程。硅谷公司已經(jīng)完全掌握對位芳綸纖維的生產(chǎn)技術(shù),研究出了一套具有自身技術(shù)特點、更加經(jīng)濟科學(xué)的技術(shù)方案:將對苯二胺(PPD)及N-甲基吡咯烷酮(NMP)、氯化鈣按一定比例進行配制,將其溶液、對苯二甲酰氯(TPC)按比例加入反應(yīng)器中,進行低溫聚合反應(yīng)制備聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)樹脂;再對PPTA樹脂進行洗滌,將洗滌液進行溶劑回收,使回收溶劑的純度在99.95%以上,水分小于10-4(100ppm)以下,以滿足循環(huán)使用的要求;把洗滌過的PPTA樹脂用濃硫酸溶解形成液晶溶液,經(jīng)過脫泡、過濾、干噴濕紡法紡絲而得到對位芳綸。2010年12月,硅谷公司實現(xiàn)了對位芳綸連續(xù)規(guī)?；a(chǎn),掌握了對位芳綸生產(chǎn)的核心技術(shù),產(chǎn)品質(zhì)量達到美國杜邦公司水平,產(chǎn)能500t/a。為滿足市場需求,硅谷公司年產(chǎn)1000t的對位芳綸纖維項目正在實施當中,部分設(shè)備正在安裝。對位芳綸纖維是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的高模量、高強度、耐高溫有機纖維,是國家經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)中不可缺少的新材料,主要應(yīng)用于軍事工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、航天航空、電力工業(yè)、冶金礦山、體育產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。此外,對位芳綸紙現(xiàn)廣泛應(yīng)用于高性能電機、變壓器等電器產(chǎn)品及航空航天領(lǐng)域的蜂窩結(jié)構(gòu)制造等多個方面;對位芳綸漿粕是代替短纖維石棉的首選材料,可廣泛地用做填料、耐磨材料;對位芳綸繩具有很高的強度和絕緣性能,可廣泛地用做纜繩和絕緣材料。對位芳綸纖維及芳綸系列制品應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,需求日益增長,預(yù)計至2012年國內(nèi)需求量將超過5000t。但是,國內(nèi)在對位芳綸纖維及系列制品方面長期依賴進口,高技術(shù)、新材料及其制品的引進又常受到封鎖和制約,品種、數(shù)量有限,限制了各相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域和軍需配套的發(fā)展。二、我國特種纖維及其制品的發(fā)展趨勢及其啟示隨著科技進步和世界經(jīng)濟的進一步發(fā)展,特種纖維及其系列制品在市場容量和更加復(fù)雜的性能方面將會加速發(fā)展。目前,美國、日本的特種纖維制造商都爭相擴大生產(chǎn)。例如,日本帝人公司于2004年向其收購的荷蘭阿克蘇.諾貝爾公司投資1.8億美元,使其特種纖維產(chǎn)量擴張1倍,總產(chǎn)能達近4.0萬t/a;2006年美國杜邦公司宣布擴大凱芙拉纖維的生產(chǎn)能力,增設(shè)新的生產(chǎn)線,計劃在未來5年內(nèi)擴張產(chǎn)能50%。因此,世界高性能特種纖維工業(yè)正迎來一個大發(fā)展的機遇。我國要打破外國的技術(shù)壟斷和突破生產(chǎn)技術(shù)的障礙,就必須全力以赴進行工程技術(shù)攻關(guān),研制出具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能纖維技術(shù)專利,生產(chǎn)出可與國外同類產(chǎn)品媲美的高性能纖維,以取得市場的制高點和主動權(quán)。特種纖維及其制品以杰出的物理化學(xué)性能越來越受到重視,隨著中國環(huán)保和勞保政策的推進,在許多行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。跨入21世紀后,高新產(chǎn)業(yè)成為世界經(jīng)濟發(fā)展的龍頭,化纖行業(yè)面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整,現(xiàn)就特種纖維及其系列制品的產(chǎn)業(yè)化建議如下:從政策層面看,國家有關(guān)部門應(yīng)從政策方面加以引導(dǎo),對特種纖維及其系列制品的開發(fā)和生產(chǎn)予以足夠的重視和支持,促進特種纖維及其系列制品的產(chǎn)業(yè)化。從原料設(shè)備看,生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強與國內(nèi)原材料生產(chǎn)廠家的合作,積極開發(fā)生產(chǎn)穩(wěn)定的原材料,為特種纖維及其系列制品產(chǎn)業(yè)化提供堅實的基礎(chǔ);加強與國內(nèi)機械制造廠家的聯(lián)