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复旦大学与上海石化协同创新开发高性能碳纤维
2012-09-24  来源:中国聚合物网

    碳纤维,也被称为“黑黄金”。它是未来材料领域“皇冠上的明珠”,却一直是国内企业和研究单位解不开的心结,耗时多年,徘徊不前,焦虑与无奈并存,市场一直被国外企业垄断。

  可谁都不曾料到,从2008年开始,在复旦大学以杨玉良院士为首的高分子科研小组的支持下,中国石化上海石油化工股份有限公司短短四年,就完成了碳纤维全新的工艺研发,第一次打通了从原丝到碳丝生产的全流程。如今,一条年产3000吨原丝、1500吨碳纤维的生产装置正在紧张建设。

  “高校强大的基础理论研究与企业的工程化技术开发无缝对接,让我们不用‘摸黑前行’,不用无谓地模仿与试错,‘在知其所以然’的前提下少走了许多弯路,跨越了鸿沟。”上海石化副总经理张建平表示,到明年年底工程全部投产后,就可打破国外产品的垄断地位。

  “21世纪是碳纤维世纪”

  在上海石化腈纶部的展示室内,我们目睹了“黑黄金”的真面目。看似普通的一卷卷的黑丝,却不同凡响。它的密度和质量仅为钢的1/3,可抗拉伸强度是钢的4至9倍。

  最新的波音787飞机,高性能碳纤维占其体重的20%,可省油30%以上;用碳纤维替代玻璃钢的海上风力发电设备,叶片直径可达100米,发电效率大幅提升,还能经受海水腐蚀;一辆用碳纤维制造的山地自行车,小朋友都可以把它提起来,可更坚实、牢固……

  “有人说,19世纪是钢的世纪,20世纪是塑料的世纪,21世纪是碳纤维的世纪。”上海石化腈纶部总工程师黄翔宇告诉记者,如今,碳纤维开始在全球各个新型领域得到实验和应用,其中58%用于一般工业,23%用于休闲体育,还有19%则用于航空航天以及军事装备领域。然而,多年来,仅有日本、美国等少数发达国家拥有并掌握碳纤维生产技术,日本的东丽、东邦、三菱人造丝等三大公司,产量占世界的七成。他们从来不在海外设立原丝厂,牢牢掌控碳纤维关键技术,“不漏半点风声”。

  过去,国内自主研发“举步维艰”。为啥?因为它的研发步骤繁多,程序极其复杂,其间伴随的化学变化包括脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等等,任何一个环节的细微变化,就可能让整个研发陷入 “死胡同”。40多年来,不少国内企业前赴后继,一次次试验,可没有人真正走出迷宫,实现产业化。业内直呼,“碳纤维这水有点浑、有点深!”

  那么,上海石化携手复旦大学,又是凭借什么“独门绝技”,短短4年找到打开碳纤维大门“钥匙”的呢?

  架起理论和工艺的桥梁

  “基础不牢,地动山摇”。杨玉良一语破题:碳纤维的生产路线很长,主要分为聚合、纺丝、牵伸、预氧化、环化和碳化等工艺流程。如果按照传统“炒菜式尝咸淡”的试错模式,再过上千年也找不到碳纤维的“真谛”!

  成为“黑马”,关键在于采取了不同以往的思路:利用基础理论研究,从“根上”解决了碳纤维研制的原理。杨玉良说,碳纤维的研究最基础的仍是高分子科学,这是复旦大学绝对的强项,碳纤维无论如何变,“万变不离其宗”。

  而对上海石化来说,“牵手”复旦大学,最初有点“小意外”。黄翔宇说,在以往与高校的产学研合作中,企业更愿意与离产业化更近的工科院校合作,与复旦这样以基础理论研究见长的高校少有 “交集”。起初,在市经信委等部门的牵线和支持下,双方走到一起。可面对复旦大学教授们的复杂理论模型,上海石化的工程师们有些“丈二和尚摸不着头脑”。“一连串一连串的公式,看得头都大了。”上海石化腈纶部副总工顾文兰虽然是科班出身,也从没见过这么复杂的套路:这“花架子”有用吗?复杂数字运算和理论模型,能与一根根精品碳化细丝联系起来吗?

  第一次打消疑虑,让双方互信,始于纺丝流程中的“喷丝难题”。

  顾文兰说,在中试时的纺丝阶段,第一次喷丝时,1.2万个细小喷头中竟有30%左右没有出丝,即3600个喷丝孔“放空”,这离12K束的标准还差很远。上海石化从以往生产腈纶工艺经验认为,是喷丝头的粗细等机械结构出了问题。于是,不断换喷头,从A系列一直换到K系列,依然如旧。“当时都有点傻了,每天守着喷丝头,希望奇迹能够发生。”那段时间,顾文兰茶不思,饭不想。

  而此时,在复旦大学的实验室里,复旦课题组成员则通过物理高分子理论、数学计算、计算机模拟等找到问题的根本:原因不在喷丝头上,而在内部温度控制上。教授们将几十页的数字、公式化成简单的文字,递给上海石化,大家一下子茅塞顿开。根据复旦提供的参数重新设计设备,上海石化仅仅一个月就将设备零件超要求设计出来,如今出丝率稳定在96%以上。

  “有了方向,路再远也不怕”,顾文兰说,以前总是没方向,按照经验不断试,现在才体会到 “理论的力量”。

  于是,信任的力量化成一座桥梁,让一个个“金点子”,在复旦基础理论研究与石化工程工艺设计之间“不断跳跃”:在纺丝凝固阶段,由于原丝内孔洞过多,导致强度变低。复旦课题组从“膜科学”要求孔洞多而均匀的原理,反其道而行之,化解了原丝致密性问题。

  在原丝碳化阶段,理论数据直接用在工艺设备上,出现断丝率偏高现象,而上海石化通过以往经验调试,修正了理论与现实存在的偏差。

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