本報記者 同黎娜
對於日本、美國這樣的碳纖維強國來說，大絲束碳纖維製備技術是其碳纖維行業實現低成本化的關鍵技術之一，大絲束也是碳纖維在工業領域大面積應用的主要技術路徑。中國碳纖維產業接下來要想進一步增強競爭力，大絲束是個重要的發展方向，也因此，大絲束近幾年成為我國市場上各方關注的熱點。但是，因為製備技術難度大，大絲束成為“一塊難啃的硬骨頭”，令不少國內的碳纖維企業望而生畏。不過，這一情況正在被龍頭企業一步步突破。
近期，從吉林化纖集團（以下簡稱“吉林化纖”）傳出消息，該公司自主研發的48k大絲束碳纖維原絲順利通過碳化並持續批量生產，且碳化效果遠超預期，各項指標均超過了日本東麗T300級產品的水平，成為繼24k碳纖維成功市場化後的又一碳纖維新產品。
那麼，吉林化纖在大絲束方面有了哪些新突破？大絲束碳纖維製備技術的難點具體體現在哪些方面？其未來的市場發展前景如何？日前，《中國紡織報》記者就上述問題進行了深入採訪。
碳纖維生產中所說的1k，是指一根碳纖維原絲中含有1000根單絲。按照業內的標準，每束碳纖維中的單絲根數小於24k的碳纖維，比如1k、3k的碳纖維都屬於小絲束碳纖維，每束碳纖維中的單絲根數大於或等於24k的碳纖維屬於大絲束碳纖維。
相比小絲束，大絲束碳纖維的生產效率更高，在複合材料製備過程中的鋪層效率也更高，生產成本卻能降低約30%以上。從國際市場看，大絲束碳纖維目前主要用於風電葉片、能源建築等工業市場。
吉林化纖此次成功通過碳化的48k碳纖維原絲，是指原絲中含有48000根單絲，屬於大絲束。48k大絲束碳纖維最大的優勢，就是在相同的生產條件下可大幅度提高碳纖維的單線產能，實現生產的低成本化，有助於打破碳纖維因價格較高帶來的應用侷限，為碳纖維複合材料進一步拓展應用市場奠定基礎。
吉林化纖從2017年7月開始研究48k大絲束碳纖維原絲，借鑑24k碳纖維原絲生產經驗，對原液流程實施再造，對關鍵裝備技術進行升級。今年7月，公司成功地開發出了48k碳纖維原絲的聚合、紡絲工藝技術，形成了千噸級PAN基48k碳纖維原絲技術工藝包，批量試生產出48k碳纖維原絲。從產品面世到質量穩定，吉林化纖研發團隊先後攻克了線密度控制難、水洗效果不均勻、原絲強度不穩定等難題。
事實上，去年年底，吉林化纖8000噸大絲束碳纖維碳化項目一期2000噸生產線已試車成功，隨後實現了穩定運行，標誌著我國的大絲束碳纖維生產技術邁出了重要一步，這為此次成功實現48k大絲束碳纖維原絲的碳化奠定了堅實基礎。其整體的8000噸大絲束碳纖維碳化項目預計將於明年年末完成。
吉林化纖生產出48k原絲後，第一時間到2000噸/年的碳化生產線進行氧化、碳化試驗，上下游聯合攻關，從小試、中試到批量碳化，反覆調整、驗證，最終實現了100束48k碳纖維原絲的順利碳化。據測試，48k大絲束碳纖維的拉伸強度、拉伸模量、層間剪切強度等指標均能滿足應用需要。至此，吉林化纖在真正意義上生產出了國內首批48k大絲束碳纖維。
實現48k大絲束碳纖維的批量生產具有重大意義。業內人士指出，只有不斷攻克碳纖維製備技術，始終堅持自主創新，持續提高我國碳纖維的產業化水平，並持續推進低成本化，才能使我國碳纖維更廣泛地應用於風電葉片、油田、常壓及高壓容器、軌道交通等工業領域，從而為中國製造由大變強提供堅實保障。
有機構預計，未來幾年大絲束碳纖維的年均需求增速將超過16%，預計到2020年，全球市場對大絲束碳纖維的需求量將達到15萬噸，中國市場對其的需求量將達到7.7萬噸。
吉林化纖集團公司董事長宋德武介紹，此前幾十年，國際碳纖維產業的發展和壯大主要由日本東麗等碳纖維領頭企業，以及波音、空客這樣的航空航天領域的下游應用企業合力推進，航空航天領域也一直是碳纖維最主要的應用市場。在這個技術體系下，碳纖維製備技術主要走的是小絲束、高強度路線。中國碳纖維產業近10多年的快速發展主要也是按照這個思路朝前走。但發展到目前這個階段，小絲束碳纖維應用市場的增幅趨緩，因此，吉林化纖在保持小絲束碳纖維原絲生產的既有產業基礎上，這幾年向著“低成本、大絲束、通用化、高品質”的方向努力。
但是，大絲束技術就像一塊難啃的“硬骨頭”，企業並不是輕鬆鬆鬆就能啃得動。據瞭解，目前我國能生產大絲束碳纖維原絲的企業仍是少數，真正實現市場化的更是寥寥無幾。而原絲工藝分為溼法二步法工藝和DMSO（幹噴溼法）工藝，吉林化纖使用的是溼法二步法。那麼，大絲束碳纖維的製備技術究竟難在哪些方面？
難點一是大絲束碳纖維生產此前並沒有一個明確的標準和健全的體系，這給其研發增加了很大難度。相比小絲束，在原絲、聚合、預氧化、碳化等多個系統環節，大絲束碳纖維的製備技術都更難。比如，如果生產的是1k、3k的小絲束碳纖維，一個噴絲板上會有1000個、3000個孔，但如果生產的是48k大絲束碳纖維，一個噴絲板上會有48000個孔，這本身就具有一定的挑戰性。
難點二是CV值的穩定。如果是生產3k小絲束碳纖維，要求一個噴絲板上的3000個孔裡噴出來的每根絲的均勻度都一樣，這相對容易；但如果是生產48k大絲束碳纖維，就要求一個噴絲板上的48000個孔裡噴出來的每根絲的均勻度都一樣，基數大了好幾倍，難度自然相當大。
難點三是毛絲問題。毛絲問題通常伴隨著紡絲過程一直存在，企業要做的是將毛絲的佔比控制在合理範圍內。如果是生產1k的碳纖維，按照1%的毛絲佔比，會出10根毛絲，這看上去並不明顯；但如果是生產48k碳纖維，按照同樣的毛絲佔比，將會出現400多根毛絲，這會使毛絲看上去比較明顯。因此，如何控制好大絲束碳纖維的毛絲佔比是個大難題，目前國際上也沒有這方面的標準。
難點四是碳化環節。大絲束碳纖維原絲生產出來後，在碳化環節還將面臨不少新挑戰。比如，毛絲的問題在原絲上體現得可能並不明顯，但在碳化環節有可能會凸顯出來，因為在碳化環節會發生劇烈的化學反應，有可能會導致纖維分子結構中的某些鍵斷裂等現象發生。
而要解決這些難題，企業需要從單體的配比、工藝配方的改進、每一道生產環節的摸索完善等方方面面下功夫。可以發現，大絲束的製備技術是一項複雜的系統工程。要想攻克這些難題，就意味著企業必須持續不斷地進行技術攻關，而這通常是個難度大、投入高、見效慢的長期過程，也考驗著企業在資金、技術、人才、裝備等方面的綜合水平。
難能可貴的是，吉林化纖這幾年不斷攻克技術難關，一步步啃下了大絲束這塊“硬骨頭”，並逐步得到了市場認可。記者瞭解到，今年1~7月，吉林化纖碳纖維原絲銷量為3834噸，同比增長102%， 主要原因就是24k、25k碳纖維原絲銷量良好。
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