2012-9-24 來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞：碳纖維 協(xié)同創(chuàng)新 復(fù)旦大學(xué) 上海石化
碳纖維，也被稱(chēng)為“黑黃金”。它是未來(lái)材料領(lǐng)域“皇冠上的明珠”，卻一直是國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究單位解不開(kāi)的心結(jié)，耗時(shí)多年，徘徊不前，焦慮與無(wú)奈并存，市場(chǎng)一直被國(guó)外企業(yè)壟斷。
可誰(shuí)都不曾料到，從2008年開(kāi)始，在復(fù)旦大學(xué)以楊玉良院士為首的高分子科研小組的支持下，中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司短短四年，就完成了碳纖維全新的工藝研發(fā)，第一次打通了從原絲到碳絲生產(chǎn)的全流程。如今，一條年產(chǎn)3000噸原絲、1500噸碳纖維的生產(chǎn)裝置正在緊張建設(shè)。
“高校強(qiáng)大的基礎(chǔ)理論研究與企業(yè)的工程化技術(shù)開(kāi)發(fā)無(wú)縫對(duì)接，讓我們不用‘摸黑前行’，不用無(wú)謂地模仿與試錯(cuò)，‘在知其所以然’的前提下少走了許多彎路，跨越了鴻溝�！鄙虾Ｊ笨偨�(jīng)理張建平表示，到明年年底工程全部投產(chǎn)后，就可打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷地位。
“21世紀(jì)是碳纖維世紀(jì)”
在上海石化腈綸部的展示室內(nèi)，我們目睹了“黑黃金”的真面目�？此破胀ǖ囊痪砭淼暮诮z，卻不同凡響。它的密度和質(zhì)量?jī)H為鋼的1/3，可抗拉伸強(qiáng)度是鋼的4至9倍。
最新的波音787飛機(jī)，高性能碳纖維占其體重的20%，可省油30%以上；用碳纖維替代玻璃鋼的海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，葉片直徑可達(dá)100米，發(fā)電效率大幅提升，還能經(jīng)受海水腐蝕；一輛用碳纖維制造的山地自行車(chē)，小朋友都可以把它提起來(lái)，可更堅(jiān)實(shí)、牢固……
“有人說(shuō)，19世紀(jì)是鋼的世紀(jì)，20世紀(jì)是塑料的世紀(jì)，21世紀(jì)是碳纖維的世紀(jì)。”上海石化腈綸部總工程師黃翔宇告訴記者，如今，碳纖維開(kāi)始在全球各個(gè)新型領(lǐng)域得到實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，其中58%用于一般工業(yè)，23%用于休閑體育，還有19%則用于航空航天以及軍事裝備領(lǐng)域。然而，多年來(lái)，僅有日本、美國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有并掌握碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，日本的東麗、東邦、三菱人造絲等三大公司，產(chǎn)量占世界的七成。他們從來(lái)不在海外設(shè)立原絲廠，牢牢掌控碳纖維關(guān)鍵技術(shù)，“不漏半點(diǎn)風(fēng)聲”。
過(guò)去，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)“舉步維艱”。為啥？因?yàn)樗难邪l(fā)步驟繁多，程序極其復(fù)雜，其間伴隨的化學(xué)變化包括脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等等，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)微變化，就可能讓整個(gè)研發(fā)陷入 “死胡同”。40多年來(lái)，不少?lài)?guó)內(nèi)企業(yè)前赴后繼，一次次試驗(yàn)，可沒(méi)有人真正走出迷宮，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。業(yè)內(nèi)直呼，“碳纖維這水有點(diǎn)渾、有點(diǎn)深！”
那么，上海石化攜手復(fù)旦大學(xué)，又是憑借什么“獨(dú)門(mén)絕技”，短短4年找到打開(kāi)碳纖維大門(mén)“鑰匙”的呢？
架起理論和工藝的橋梁
“基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖”。楊玉良一語(yǔ)破題：碳纖維的生產(chǎn)路線很長(zhǎng)，主要分為聚合、紡絲、牽伸、預(yù)氧化、環(huán)化和碳化等工藝流程。如果按照傳統(tǒng)“炒菜式嘗咸淡”的試錯(cuò)模式，再過(guò)上千年也找不到碳纖維的“真諦”！
成為“黑馬”，關(guān)鍵在于采取了不同以往的思路：利用基礎(chǔ)理論研究，從“根上”解決了碳纖維研制的原理。楊玉良說(shuō)，碳纖維的研究最基礎(chǔ)的仍是高分子科學(xué)，這是復(fù)旦大學(xué)絕對(duì)的強(qiáng)項(xiàng)，碳纖維無(wú)論如何變，“萬(wàn)變不離其宗”。
而對(duì)上海石化來(lái)說(shuō)，“牽手”復(fù)旦大學(xué)，最初有點(diǎn)“小意外”。黃翔宇說(shuō)，在以往與高校的產(chǎn)學(xué)研合作中，企業(yè)更愿意與離產(chǎn)業(yè)化更近的工科院校合作，與復(fù)旦這樣以基礎(chǔ)理論研究見(jiàn)長(zhǎng)的高校少有 “交集”。起初，在市經(jīng)信委等部門(mén)的牽線和支持下，雙方走到一起�？擅鎸�(duì)復(fù)旦大學(xué)教授們的復(fù)雜理論模型，上海石化的工程師們有些“丈二和尚摸不著頭腦”�！耙贿B串一連串的公式，看得頭都大了�！鄙虾Ｊ婢]部副總工顧文蘭雖然是科班出身，也從沒(méi)見(jiàn)過(guò)這么復(fù)雜的套路：這“花架子”有用嗎？復(fù)雜數(shù)字運(yùn)算和理論模型，能與一根根精品碳化細(xì)絲聯(lián)系起來(lái)嗎？
第一次打消疑慮，讓雙方互信，始于紡絲流程中的“噴絲難題”。
顧文蘭說(shuō)，在中試時(shí)的紡絲階段，第一次噴絲時(shí)，1.2萬(wàn)個(gè)細(xì)小噴頭中竟有30%左右沒(méi)有出絲，即3600個(gè)噴絲孔“放空”，這離12K束的標(biāo)準(zhǔn)還差很遠(yuǎn)。上海石化從以往生產(chǎn)腈綸工藝經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，是噴絲頭的粗細(xì)等機(jī)械結(jié)構(gòu)出了問(wèn)題。于是，不斷換噴頭，從A系列一直換到K系列，依然如舊�！爱�(dāng)時(shí)都有點(diǎn)傻了，每天守著噴絲頭，希望奇跡能夠發(fā)生。”那段時(shí)間，顧文蘭茶不思，飯不想。
而此時(shí)，在復(fù)旦大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，復(fù)旦課題組成員則通過(guò)物理高分子理論、數(shù)學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬等找到問(wèn)題的根本：原因不在噴絲頭上，而在內(nèi)部溫度控制上。教授們將幾十頁(yè)的數(shù)字、公式化成簡(jiǎn)單的文字，遞給上海石化，大家一下子茅塞頓開(kāi)。根據(jù)復(fù)旦提供的參數(shù)重新設(shè)計(jì)設(shè)備，上海石化僅僅一個(gè)月就將設(shè)備零件超要求設(shè)計(jì)出來(lái)，如今出絲率穩(wěn)定在96%以上。
“有了方向，路再遠(yuǎn)也不怕”，顧文蘭說(shuō)，以前總是沒(méi)方向，按照經(jīng)驗(yàn)不斷試，現(xiàn)在才體會(huì)到 “理論的力量”。
于是，信任的力量化成一座橋梁，讓一個(gè)個(gè)“金點(diǎn)子”，在復(fù)旦基礎(chǔ)理論研究與石化工程工藝設(shè)計(jì)之間“不斷跳躍”：在紡絲凝固階段，由于原絲內(nèi)孔洞過(guò)多，導(dǎo)致強(qiáng)度變低。復(fù)旦課題組從“膜科學(xué)”要求孔洞多而均勻的原理，反其道而行之，化解了原絲致密性問(wèn)題。
在原絲碳化階段，理論數(shù)據(jù)直接用在工藝設(shè)備上，出現(xiàn)斷絲率偏高現(xiàn)象，而上海石化通過(guò)以往經(jīng)驗(yàn)調(diào)試，修正了理論與現(xiàn)實(shí)存在的偏差。