上海石化碳纤维应用前景广阔

在11月举办的第二届中国国际进口博览会上,以上海石化碳纤维材料制成的自行车、皮划艇、齿轮等产品亮相品牌馆,令参观者啧啧赞叹:“自行车用一两根手指就能抬起来,碳纤维材料真的神了。”

这种神奇的新材料由上海石化生产,采用的是自行开发的国内独有的NaSCN(硫氰酸钠)湿法工艺和具有自主知识产权的成套技术,拥有3000吨聚合物、3000吨原丝、500吨碳纤维(1000吨在建)的工业化生产能力。当前,该碳纤维的每个丝束由1.2万根丝组成,即12K小丝束。

经过聚合、纺丝、再进入氧化碳化,一身黑亮的碳纤维“破炉而出”,成为一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料。其力学性能优异,比重不到钢的四分之一,强度却是钢的7至9倍,并且还具有耐腐蚀、高模量的特性,被称为“新材料之王”,也被称为“黑黄金”,在各行各业有着广泛的应用前景。

据上海石化副总工程师黄翔宇介绍,该公司碳纤维自问世以来,短短几年间,新材料已经在多个领域得到应用,并改变了一些领域的传统做法,助力于“中国制造”。

碳纤维抽油杆,油田采油大显身手

在今年9月举办的第二十一届中国国际工业博览会上,由上海石化、胜利油田、胜利油田新大管业三家共同申报的“以碳纤维及其连续抽油杆研制为核心的新型高效机采系统”,获工博会首次设立的中国国际工业博览会大奖,成为一个以开发、应用碳纤维新材料提升传统采油产业的成功案例。

据了解,应用碳纤维增强复合材料生产的连续抽油杆,最长可达5000米,成功克服了过去抽油杆需要套杆连接、起下工作时间长,金属杆易腐蚀、使用寿命短,运行中耗电大等缺点。目前,已在国内五大油田94个区块545口井进行产业化应用。在深抽增油、节能降耗、防腐延寿三个方向应用效果显著,是油田采油系统革命性的技术升级,将对我国采油行业的发展和技术水平提升起到很大的推动作用。

碳纤维耐磨制件,性能卓越替代进口

今年2月,由上海石化研制开发的碳纤维耐磨片被应用到腈纶纺丝机械设备上,并通过了设备高速转动耐磨实验。这是该公司继碳纤维齿轮问世之后,碳纤维复合材料在工业领域的又一成功应用,并且,将打破耐磨制件长期依赖进口的被动局面。

据工程技术人员介绍,高速转动的工业机械设备,对材料的耐磨性、耐热性及抗化学腐蚀性有着极为严格的要求。该领域长期来采用进口材质制件,但磨损快、使用周期短的问题始终无法有效解决。

上海石化工业用耐磨片以碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK)树脂复合材料为基础,采用先进造粒技术和挤出成型工艺加工制成,具有耐磨耐热、抗腐蚀和自润滑等优异性能,使用寿命可增加3~4倍。耐磨片在该公司腈纶设备上应用之后,有效减少了生产过程中的丝束损伤,提高了生产连续性,保证了腈纶丝束质量。

碳纤维补强技术,加固领域独树一帜

去年底,上海石化碳纤维补强材料首次成功应用于南京机场改扩建项目。项目建设单位在对机场航站楼改造加固工程中,针对航站楼的结构特点和改造要求,使用“碳布”对其屋顶、梁、柱、楼板等次、主承力结构进行加固补强。“碳布”加固方法简便,十分易于航站楼内部混凝土曲面、受弯构件等复杂部位的施工作业,不仅加快了工期,而且降低了工程造价。

据了解,近年来,上海石化与哈尔滨工业大学等院校在碳纤维复合材料补强领域携手攻关,目前,碳纤维补强技术已经被广泛应用于公路、立交桥、高铁、隧道等存在病险的基础设施维修工程,以及石油石化管道修复等领域,形成了丰富的应用经验,具有良好的示范作用。在此基础上,由该公司和哈工大共同制订的《碳纤维复合材料加固修复化工管道技术规范》,于今年3月通过中国复合材料工业协会复核程序,标志着国内碳纤维行业在石油化工管道加固修复领域的首个技术规范正式建立。

上海石化碳纤维项目经过3年攻关,于2018年成功开发出48K大丝束碳纤维,由于每个丝束由4.8万根丝组成,单丝强度达到高性能。

48K大丝束碳纤维的面世,使该公司碳纤维技术有了支撑产业发展的强大动力,在轨道交通、新能源汽车、民用航空、风电等领域,将迎来更加广阔的应用前景,助力“中国智造”。

上海石化腈纶事业部腈纶研究所于2005年3月成立碳纤维研究室,开始了碳纤维的研发工作。利用事业部原中试聚合装置进行一次又一次攻关,2006年终于试制出碳纤维原丝用聚合体约1t。这1t聚合体相继在东华大学、山东大学、北京化工大学的试验设备上完成了聚合体的酸洗、干燥、溶解、纺丝、预氧化、碳化。上海石化自有碳纤维终于诞生,碳纤维强度达到2.5GPa,符合我国型碳纤维的指标,实现了企业该产品零的突破,并在高新技术纤维领域填补了国家空白。从2007年4月起,腈纶部加快了碳纤维的开发步伐。该部将原中试装置划归碳纤维研发试验专用,科研人员在中试装置上进行了4个聚合配方和8个批次的纺丝试验,根据实验结果不断改进方案。其间,腈纶部申报了“一种去除聚丙烯腈树脂中碱金属杂质的方法”等3项专利,为形成上海石化自主碳纤维原丝技术做好了充分的技术准备。为使试验装置能满足原丝试制的要求,2008年5月14日,碳纤维原丝中试装置改造正式启动。2008年10月20日,中试装置交付联动调试,2008年11月12日进行首次投料试验。目前,腈纶部已在该装置上进行3次试验,试制的12K原丝经后续碳化,碳纤维强度、模量、体密度等关键指标,已经达到日本东丽公司T-300碳纤维指标标准。上海石化碳纤维的研制和开发,已向工业化生产迈出坚实的一步。