芳纶Ⅲ纤维结构与性能及工程化技术研究--中科合创(北京)科技推广中心

芳纶Ⅲ纤维结构与性能及工程化技术研究

时间:2014-05-11    作者:    浏览次数:3494

所属战略性新兴产业领域:  新材料

所属高新技术领域:  新材料

属其他学科、专业领域:  特种纤维

单位名称:  中蓝晨光化工研究设计院有限公司

单位性质:  企业

推荐单位:  成都市科技局

成果简介:

    1.1科技成果简介

    (1)课题来源:           政府部门计划;

    (2)课题立项名称 :      芳纶Ⅲ纤维结构与性能及工程化技术研究;

    (3)课题立项编号:       XXXX-SD-141;

    (4)课题研究起始日期:   2005 年12月01 日

    (5) 课题研究终止日期   2008年12 月 31日

    (6)批准登记单位:       成都市科学技术局

    (7)批准登记号:         9562013Y0136号

    (8)批准登记日期:       2013.10.29

    课题总体描述:

    中蓝晨光化工研究设计院有限公司(以下简称中蓝晨光院)从1998年开始进行芳纶纤维的研究。先后承担并完成了 “0.5kg/日芳纶Ⅲ型纤维模试” 项目(2001年科技部下达)及 “10t/aM-3单体模试”(“九五”科技攻关项目)。项目通过聚合物分子结构设计,在芳纶1414纤维结构中引入杂环结构,设计出一种在性能方面全面超越芳纶1414纤维的新型杂环芳纶纤维(称为芳纶Ⅲ),并完成了纤维制备小试。

    2005年起开始进行芳纶Ⅲ制备工艺工程化技术研究,经过3年攻关,突破了第三种特殊结构单体的制备技术、三元共聚的原液制备技术、一步法湿法纺丝成型技术及后处理技术等关键技术,开发出了芳纶Ⅲ纤维全套工艺技术及产品,取得系列自主知识产权,建成5t/a生产装置并实现连续稳定生产。2010年,根据不断扩大的市场,中蓝晨光院在5t/a基础上进一步进行工程化放大,将年产量由每年5 吨放大到每年20吨,将2 条线扩大到8条线,并开发出高模量等新的品种。累计至2013年底,2 个品种芳纶Ⅲ纤维产品销售额为10011万元,税金225.54万,利润总额3011万元,经济效益显著。

 

成果创新性:

    1.2创新性

    1)通过分子结构设计开发出新型芳纶Ⅲ纤维,并研发出M3单体制备技术

通过三元共聚反应,在PPTA大分子结构中引入单体苯并咪唑杂环结构,使芳纶Ⅲ力学性能提高约为30%,并研发出杂环单体M3的工业制备技术。专利号ZL200710081077.6。

    2)研制了一种稳定可控的芳纶Ⅲ聚合原液制备技术

    研究出了一种精确控制芳纶Ⅲ聚合物的分子量、分子量分布和序列结构的方法,使芳纶Ⅲ聚合液质量稳定可控。专利号ZL 02133701.2。

    3)发明了芳纶Ⅲ纤维一步法湿纺技术,有效提高纤维性能

    发明了芳纶Ⅲ纤维一步法湿纺技术。解决了间歇热处理与离线表面处理工艺反复倒筒造成的纤维性能降低,极大的提高了纺丝稳定性和成品率。专利号ZL 02133583.4和专利号ZL 200710081079.5。

    4)开发了一种高效表面处理技术,提高纤维复合纤维的强度转化率

    开发了一种全新的芳纶Ⅲ在线化学处理技术,在不损失纤维本体强度的情况下,极大的提高了复合材料的强度转化率。专利号ZL 201010108510.2。

    5)研制了一种高粘度流体的连续快速脱泡装置

    发明了一种高粘度流体的连续快速脱泡装置。实现了聚合原液生产和纺丝生产的稳定连续。专利号ZL 201010108546.0和专利号ZL 201020111749.0.

成果独占性:

    1.3独占性

    项目开发成功的技术有:

    (1)关键原料质量控制技术;

    (2)聚合物配方及聚合技术;

    (3)纺丝工艺参数及其控制技术;

    (4)热处理技术;

    (5)表面处理技术。

    以上技术均为自主开发的工程化技术,关键技术均申请专利保护。另外,这些技术为前后共30人的团队协同完成开发,团队中化学、化纤、高分子、化学工程、化工设备等专业配套齐全,与一般配方等技术不同,必须依赖团队力量并经历小试--中试--工程化放大的阶段。很难复制。

成果盈利性:

    1.4盈利性

    (1)应用情况

    随着高新产业成为世界经济发展的主要目标,应用高新技术和新材料为主导的新产业,如国防、航空航天、橡胶工业、电子与通迅、汽车工业、油气田的勘探和生产、体育休闲用品等产业的发展,都将需要高性能的芳纶。伴随下游产业的不断升级换代,芳纶Ⅲ纤维的应用市场将会越来越广。

    在航空航天和国防军工领域的应用。芳纶Ⅲ纤维可用于制作大型飞机的二次结构材料,如机舱门、窗、机翼、整流罩体表面等,也可制作机内天花板、舱壁等,可减轻其重量。芳纶Ⅲ纤维复合材料可制造导弹的固体火箭发动机壳体、压力容器、宇宙飞船驾驶舱、潜艇、防弹装甲车、防弹板、防弹头盔、防弹衣等。芳纶Ⅲ纤维与高性能的聚乙烯薄膜制成的软制防弹背心,比超高分子质量的聚乙烯纤维的防弹性能、耐热性能、抗野蠕变性能更好。

    在信息技术产业上的应用。由于IT技术的发展,光纤铺设量猛增,芳纶Ⅲ纤维可用作光缆中的“张力构件”,有了这种具有高模量性能的张力构件,可保护细小而脆弱的光纤在受到拉力时不致伸长,从而不使光传输性能受到损害。此外芳纶增强的复合材料也被用作信息技术的电子线路板,这种线路板轻质、绝缘、抗震性能优良。

    在特种防护服领域的应用。芳纶Ⅲ纤维具有的优异特性是不仅力学性能很好,而且遇火不燃烧、不滴溶,没有燃烧后粘结皮肤的弊端。尤其在突遇900℃-1500℃的强高温时,布面迅速碳化并增厚,形成一种特有的绝热屏障,可争取十几秒的宝贵时间,从而有效保护穿着者逃生,防火效果十分突出。芳纶Ⅲ纤维柔软蓬松,耐磨耐用,具有良好的服用性能,可制成消防战斗服、防化作战服、飞行服、炉前工作服、电焊工作服、均压服、防辐射工作服、化学防护服,高压屏蔽服等系列防护服装,广泛用于航空、航天、军队、消防、石化、电气、燃气、冶金、赛车等特殊领域。

    在汽车工业上的应用。由对芳纶的相对密度小,对橡胶有良好的粘附性,可供制造高速行驶或超重负载的汽车和飞机的轮胎帘子线。这种轮胎质量较轻,轮胎胎层薄,热量容易发散,使用寿命可以延长。它还可用于制作汽车上的挡泥板、保险杠、刹车片、离合器、减振缓冲器和各类软管,可大大降低车身自重,减少油料消耗。

    在运动器材上的应用。充分利用芳纶耐高温、耐疲劳等特性,以制作运动条件苛刻的拳击手套、登山鞋靴、赛车车体、赛马头盔等,还可用于制作网球拍、滑雪板、滑雪杆、雪撬、弓箭、弓弦、钓鱼竿、风筝骨架、高尔夫球棍、赛艇等。

    (2)盈利情况:

    累计至2013年底销售总额10011万元,销售成本总额6710.5万元,管理费用总额30.96万元,销售费用总额33万元,税金225.54万,利润总额3011万元。

    随着工业化的实施及工艺参数的不断优化,规模的增加及技术的提升,使得产品成本不断下降。加之我院专题研究低成本芳纶产品的课题开展,使得成本持续下降,效益逐渐上升。

 

成果持续性:

    1.5持续性

    本项目通过10多年的研发、攻关,形成了具有自主知识产权的全套技术,已申请专利13项,获得授权9项。通过长期的研究,已建立了软硬件齐备的研发平台及团队。平台包括聚合、纺丝、纤维后加工及应用评价三个子平台及分析测试平台。 研发团队是一支长期在实验与工程研究中建立起来的多学科的老中青相结合的学术队伍。固定成员共28名,其中博士生 2名,硕士生 18名,本科生8名,教授级高级工程师5名,中高级以上职称 17 名。专业领域涵盖基本有机合成、高分子化学、高分子合成、高分子材料、化纤、标准化、分析测试、化学工程、化工机械等。他们在各自研究领域中有深厚的专业技能和丰富的实践经验,具备了持续创新的能力。

    该平台和团队具备持续创新能力。目前我公司在芳纶Ⅲ纤维领域一直不懈进行攻关,主要针对纤维性能的提升(高强度、高模量),纤维工艺的改进(干湿法纺丝技术)、纤维品种的开发以及针对市场的纤维相关应用技术的开发等,为下一步市场开拓及技术水平提升做好技术储备。

成果先进性:

    1.6先进性

    目前国外工业化生产的对位芳纶纤维产品包括美国Dupont公司的Kevlar纤维,日本Teijin公司的Twaron纤维和Technora纤维,韩国Kolon公司的Heracron纤维,俄罗斯的Armos纤维等。Kevlar纤维、Twaron纤维、Heracron纤维在我国均称为芳纶Ⅱ,它们是不同公司的产品牌号。Technora和Armos纤维是在芳纶Ⅱ基础上通过加入第三单体改性后得到的新产品,在力学性能方面Technora纤维与芳纶Ⅱ相近,但Armos纤维则比芳纶Ⅱ提高至少30%。就市场占有率而言,Dupont公司和Teijin公司两家对位芳纶总产能达7万吨,占世界对位芳纶产能的95%以上,呈明显垄断状态。

    俄罗期的Armos纤维是一种杂环芳纶,俗称芳纶Ⅲ,纤维的力学性能优异,但由于受聚合物单体与生产工艺限制,纤维生产成本较高,产量不大,仅用于国内军工行业使用,没有对外销售,因此在国际市场上知名度远远不如芳纶Ⅱ。

    晨光院从1998年开始进行芳纶Ⅲ的研究,先后完成了“5t/a高性能芳纶Ⅲ装置建设”,“芳纶Ⅲ纤维结构与性能研究及工程化技术研究”和“高性能芳纶纤维工程化制备及其设备技术”等科研项目,已建成年产20t/a芳纶Ⅲ纤维的产业化生产装置,并实现对下游用户的稳定供货。经用户测试,国产芳纶Ⅲ纤维的强度已经达到APMOC纤维的性能指标。国内外对位芳纶力学性能比较见下表:上表数据显示:国产芳纶Ⅲ性能远远优于国外芳纶Ⅱ纤维的性能。Staramid F368拉伸强度比Kevlar129提高44%,比Twaron CT提高48%。而且可以看到Staramid F368纤维比Armos强度略高,Staramid F358纤维比Armos模量高15%。因此国产芳纶Ⅲ纤维已经达到并超过Armos的性能。

    虽然取得了以上成果,我公司研究团队还在不断的探索、研究开发高模量产品并结合下游的应用领域开展不同纤度、不同油剂量及表面处理等技术,开发出更多的品种,满足国防及国民经济的发展要求。

成熟度:  大批量

市场分析:

    2.1市场分析

    该项目是我公司通过十余年的研究开发并进行工程化的结果,目前为国内唯一量产化的供应商。芳纶Ⅲ纤维长丝是中间产品,我公司配合下游的应用单位:如国防装备、航天高压容器,光缆增强、防弹抗爆装备的开发等,每年国内市场需求在50——100吨之间。长期以来,我国用于以上领域的关键原材料——芳纶纤维一直依赖进口,制约了我国这一领域的发展。  2010年中蓝晨光院在5t/a 基础上进一步进行工程化放大,将年产量放大到每年20吨,将2 条线扩大到8条线,并开发出新的品种,产品达到了俄罗斯APMOC纤维的先进水平,并已成功应用。

   由于国外对我国的封锁、我公司是国内唯一的芳纶Ⅲ纤维供应商,随着高新产业成为世界经济发展的主要目标,应用高新技术和新材料为主导的新产业,如国防、航空航天、橡胶工业、电子与通迅、汽车工业、油气田的勘探和生产、体育休闲用品等产业的发展,都将需要高性能的芳纶。伴随下游产业的不断升级换代,芳纶Ⅲ纤维的应用市场将会越来越广。该产品为中间产品,目前市场规模在100吨/年。随着本产品的不断成熟以及下游应用市场对原材料要求的不断提升,该产品市场规模将会不断扩大。我公司正在根据市场研究开发新型品种纤维,为市场跨越式发展提供动力支撑。

商业模式分析:

    2.2商业模式分析

    芳纶Ⅲ纤维所使用的原材料为对苯二甲酰氯、对苯二胺和M3单体。其中M3单体为特殊有机化合物,是我单位自行开发成功的技术委托生产的,目前该单体还用于制药行业。另外的原料也通过本项目实施提升了质量水平。另外,本项目实施过程中,我公司与化工装备供应商研制、放大相关的设备,也带动了相关的装备制造技术的提升。芳纶Ⅲ纤维是长丝是中间产品,下游的应用还需我公司提供相应的技术配合,如航天用高压容器的缠绕需做表面处理与树脂相容,光缆使用需要高模量的产品、抗弹防爆需要高强度的产品。所以我公司在市场推广过程中与客户互动非常密切,与很多客户共同进行技术攻关、配合,才能完成产品的应用。

    通过与客户的互动,我们也了解了市场的需求与动态。为我们的研发及应用开发提供了方向,使我们的研发工作有的放矢。芳纶Ⅲ纤维1万元的产值可以带动下游10万元以上的产值。 下游产品应用于大型飞机的二次结构材料,如机舱门、窗、机翼、整流罩体表面等,也可制作机内天花板、舱壁等,可减轻其重量。芳纶Ⅲ纤维复合材料可制造导弹的固体火箭发动机壳体、压力容器、宇宙飞船驾驶舱、潜艇、防弹装甲车、防弹板、防弹头盔、防弹衣等。芳纶Ⅲ纤维与高性能的聚乙烯薄膜制成的软制防弹背心,比超高分子质量的聚乙烯纤维的防弹性能、耐热性能、抗野蠕变性能更好。

    在信息技术产业上的应用。由于IT技术的发展,光纤铺设量猛增,芳纶Ⅲ纤维可用作光缆中的“张力构件”,有了这种具有高模量性能的张力构件,可保护细小而脆弱的光纤在受到拉力时不致伸长,从而不使光传输性能受到损害。此外芳纶增强的复合材料也被用作信息技术的电子线路板,这种线路板轻质、绝缘、抗震性能优良。

    在特种防护服领域的应用。芳纶Ⅲ纤维具有的优异特性是不仅力学性能很好,而且遇火不燃烧、不滴溶,没有燃烧后粘结皮肤的弊端。尤其在突遇900℃-1500℃的强高温时,布面迅速碳化并增厚,形成一种特有的绝热屏障,可争取十几秒的宝贵时间,从而有效保护穿着者逃生,防火效果十分突出。芳纶Ⅲ纤维柔软蓬松,耐磨耐用,具有良好的服用性能,可制成消防战斗服、防化作战服、飞行服、炉前工作服、电焊工作服、均压服、防辐射工作服、化学防护服,高压屏蔽服等系列防护服装,广泛用于航空、航天、军队、消防、石化、电气、燃气、冶金、赛车等特殊领域。

    在汽车工业上的应用。由对芳纶的相对密度小,对橡胶有良好的粘附性,可供制造高速行驶或超重负载的汽车和飞机的轮胎帘子线。这种轮胎质量较轻,轮胎胎层薄,热量容易发散,使用寿命可以延长。它还可用于制作汽车上的挡泥板、保险杠、刹车片、离合器、减振缓冲器和各类软管,可大大降低车身自重,减少油料消耗。

    在运动器材上的应用。充分利用芳纶耐高温、耐疲劳等特性,以制作运动条件苛刻的拳击手套、登山鞋靴、赛车车体、赛马头盔等,还可用于制作网球拍、滑雪板、滑雪杆、雪撬、弓箭、弓弦、钓鱼竿、风筝骨架、高尔夫球棍、赛艇等。

营销状况:

    2.3营销状况

    芳纶Ⅲ纤维及其复合材料作为轻质高性能材料已被应用在国防装备、航天高压容器、绳索光缆、 土木建筑、安全防护等领域。用作管电缆增强、通用电缆增强、机械用绳缆、船用绳缆等;用做透波结构、轻型天线、特种印制线路板、电子运动构件等通讯电子器材等 。芳纶Ⅲ纤维在我国的应用,提高了我国芳纶Ⅲ纤维及其复合材料的技术含量和国际竞争力。具有重大的军事、技术、经济和社会效益。

    芳纶Ⅲ纤维长丝是中间产品,不断的有下游应用市场的开发拓展。随着技术的成熟、产品成本的降低,更多的民用领域将加入到芳纶Ⅲ纤维的使用行业中来。目前我公司高品级的产品供应国防军工,价格相应较高,应对民用领域的产品评价定价相对较低。

    芳纶Ⅲ纤维产品的销售需要较强的技术支持,我公司成立了有技术背景的销售工程师开发团队,与客户共同对产品应用中的问题进行攻关。所以产品销售渠道为供应商之间面对客户的模式,并且产品推广伴随着技术支持。现典型客户如航天43所(导弹)、哈玻院(航天气瓶)、青岛橡胶六厂(橡胶制品)、慧明讯公司(光缆增强)、总后勤部军需研究所(防弹)等。

 

拟采取的转化方式:  其他

应用推广的已投入情况:  300万元

资金需求额:  2000万元

融资用途:  产品研发;市场开拓

核心管理团队人员情况:

    王凤德:硕士研究生、教授级高工,现任副院长

曾获奖励及荣誉称号情况:

2006年被国防科工委评为国防科技工业协作配套先进个人;

2006年被中国化工集团评为中国化工集团公司军品配套先进个人;

2006年起享受国务院政府特殊津贴;

2007年被国防科工委和总装备部联合授矛高新技术武器装备发展建设工程先进个人;

2011年获国防科学技术进步奖一等奖;

2011年获第四届侯德榜化工科学技术奖创新奖;

2012第十四届中国专利奖优秀奖;2012成都市专利优秀奖

作为“芳纶Ⅲ纤维结构与性能研究及工程化技术研究”项目的技术总负责人,负责项目研究的总体思路,制定研究方案和技术总路线,负责项目的组织实施,协调解决项目中出现的问题,指导研究人员开展研究工作,并参加项目的具体研制工作。是目前申请的10项专利的主要发明人。本人现担任副院长,负责该产品的市场的推广,带领团队相互合作,取得了优异的成绩。

 

彭涛:博士,现任特种纤维研究室主任

曾获奖励及荣誉称号情况:

2011年获国防科学技术进步奖一等奖;

2011年获中国化工集团专利优秀奖。

1、主持开展了纺丝工艺研究,设计了纺丝工艺路线和干纱产品基本性能指标。

2、开展了纺丝设备和关键部件的研究,成功研制了纺丝工艺,组织设计了纺丝生产线。

3、优化和改进纺丝、后处理工艺,批量研制出合格的芳纶Ⅲ纤维。

4、提出了对成纤聚集态结构进行控制的可行办法,并在纤维研制中进行应用。

5、组织编写了芳纶Ⅲ纤维企业标准:Q/20194000-7?175-2009,申请了3项专利:ZL02133583.4、ZL201020111749.0、200710081079.5。

该同志深入生产现场,结合科研课题与生产技术人员密切配合,解决了生产中的实际问题。以市场需求为导向,开发市场急需的品种。并在团队中培养年轻的科技人员,放手让其独立工作,取得不错的成绩。

治理结构:

    中蓝晨光化工研究设计院有限公司是中国化工集团公司的全资子公司,国有股份企业,以有机硅材料、有机氟材料、工程塑料、特种纤维、粘接材料等军工配套材料、民用新材料研发、生产为主的科技型企业,同时开展化工工程和环保工程的设计及工程总承包、高分子材料的分析测试、科技信息服务。作为中国化工行业最重要的研发中心之一,公司在有机硅、工程塑料、特种纤维及特种有机氟材料等领域始终处于国内领先地位,且在国际上享有较高知名度。它不仅率先在国内研发出了上述领域中的众多关键技术和产品,而且还是多个国家级技术及行业中心的依托机构。

管理结构:

    我公司是院长负责制的团队集体领导,下设管理中心、利润中心、服务中心、研发中心。

    “研发中心” 下设特种纤维研究室、有机硅材料研究室、有机氟材料研究室、精细化工研究室。各研究室又设立若干项目组,实行动态管理。项目实行首席专家负责制,成员实行年薪制,通过最终成果转化来体现收益,是全院技术创新的源头。“利润中心”由工程塑料事业部、硅橡胶事业部、精细化工事业部、芳纶Ⅱ事业部、F-3事业部、氟材料事业部六个生产型事业部及信息中心、分析测试中心及工程设计院组成。院在成都市新津工业园区征地1200亩(一期300亩),已投资8.5亿资金完成了新材料基地一期工程的建设。基地建有各产品车间及辅助用建筑物近三十栋、共6万多平米;各种产品生产线数十条。利润中心以上五个生产型事业部全部在基地进行生产。利润中心的各部门自负盈亏、独立核算,对院里贡献利润;服务中心又分为采购部、物业公司和财务公司,它们通过为科研生产提供服务来收取费用,发展后逐步进入市场。“管理中心”由8个部门组成,负责全院的日常管理工作。

    我公司共制定了各项管理制度共计189项。2003年通过IS9001质量体系认证,拥有国家2级保密资格并拥有武器准备科研生产许可证。

近几年,中蓝晨光化工研究设计院有限公司按照主管上级中国化工集团公司和中国蓝星(集团)股份有限公司的统一要求,加强了信息化建设工作。以中国化工信息化管理网为平台,先后开展了 财务管理信息化、 协同办公平台(OA系统)、视频会议系统等的建设、实施和落实工作,积极推进KPI系统、HRTP人力资源变革项目运行和维护,ERP上线培训,全院已全部纳入在线考核评价体系,提升了企业管理的科学化水平,提高了企业管理的效率和准确性。

    与此同时, 不断提升内部局域网的效能,健全计算机网络管理系统,全院共购置200余台计算机,实现了管理部门人手一台,二级单位可能用到信息的部门和岗位均配备。办事效率显著提高,逐步实现以信息化带动管理现代化的目标。

主营业务名称:  化工及相关产品(不含危险化学品)、机械设备及零配件的生产、销售、研制、测试以及成果转让、技术服务、咨询;化工工程、建筑工程、环保工程、设计及施工;自有房屋租赁;电气、工业自动化系统设备的销售(以上经营

近三年主营收入:  110473万元

净利润:  6927万元

毛利率:  23%

评价机构:  国防科工局;010-68118045

评价方式:  鉴定

评价日期:  2010年12月11日

评价意见:

    7.3评价意见

     1、突破芳纶Ⅲ纤维分子设计、关键组份合成、纺丝成型工艺等关键技术,形成了年产5吨的芳纶Ⅲ纤维生产能力,580tex复丝纤维抗拉强度大于4200MPa、拉伸模量大于125GPa、断裂伸长率大于3.2%、密度小于1.45g/cm3,稳定性满足战略导弹固体发动机应用的要求。

     2、应用芳纶Ⅲ纤维研制的××—×××导弹发动机壳体,通过了各种荷载和地面热试车考核,满足型号发动机各项技术指标要求,实现了装备的纤维材料的国产化。

     该成果技术难度大,纤维及复合材料壳体性能达到国际先进水平,创新性强,拥有自主知识产权,打破了国外在该项技术上的封锁与垄断,满足了××—×××导弹批生产的急需,具有显著的军事与社会效益。