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碳纤维与拉面

文章来源:unima新材网  2015-12-08

标签:碳纤维PAN纺丝中国蓝星

PAN原丝纺丝的牵伸

PAN原丝纺丝的牵伸:一是把纤维拉细,二是把高分子拉直。

3月中旬的一个下午,我满头大汗的赶到中国蓝星公司,此时已经是下午三点半。我与阎青博士的约定是下午两点,显然我是迟到了。

我向来是很少迟到的,迟到这么长时间更是几乎没有过的事,但是两件意料之外的事拖延了我的时间。

在这之前的几天,我一直在北京拜访碳纤维行业的朋友,阎博士是我计划拜访的最后一个。在拜访阎博士当天的中午,我如约来到一家饭馆与朋友吃饭,推开包间门一看,发现那几天拜访过的所有朋友竟然都在里面。原来这些北京的朋友想给我一个Suprise,临时攒了一个局。感动之余的我不免跟朋友多聊几句,于是时间就不知不觉错过。等我意识到时间问题之后,匆忙钻进一辆出租车,凭着感觉就让司机开往蓝星大厦。

大厦前台跟我核实了几遍名字后,我才发现走错地了,阎博士此时已经在几公里外的马兰大厦等了我一个多小时。于是我匆忙赶到马兰大厦,这里是马兰拉面的总部所在地。

中国蓝星公司在做碳纤维的消息,我也只是在新闻中看到过,除此之外没有更多消息可以了解到这家神秘的公司。之所以神秘是因为这家公司的碳纤维项目很少有人了解得到,项目地址在什么地方,准备如何做,有什么优势,一系列的问号在脑中,更让我疑问的是,中国蓝星的碳纤维项目跟拉面有什么关系。

于是,跟阎博士见面的第一个问题,就是碳纤维与拉面的关系。

中国蓝星的崛起与马兰拉面

关于蓝星的起源还有一段波折的故事,苏格拉伟翻阅了众多网络资料才得以了解。

1984年9月的一天,在甘肃兰州,化工部化工机械研究院内那间破旧的“防空洞”里,7个年轻小伙子组成的崭新团队,在团委书记任建新的带领下正式“下海”了。

时年26岁的任建新“当时只是想为化工机械研究院增加些收入”。一次偶然的机会,他发现,中国每年煤炭产量增加850万吨,因锅炉水垢未能清洗而消耗的原煤却高达1750万吨,相当于两年增产的原煤。而在化机院的保险柜里,一份获奖的研究成果“蓝5”硝酸酸洗缓蚀剂已被锁了整整5年。

任建新以自己的家产做抵押向化机院借款1万元,并签下“军令状”:“如果失败了,将家产变卖作为补偿,另外自愿将职务降一级,工资降一级。”很快,国内首家专业清洗企业——蓝星化学清洗公司(以下简称“蓝星”)正式注册。

凭借着清洗技术的优势,这个靠着清洗业务起家的小公司逐渐成长为涵盖化工新材料、动物营养、环境科学、基础化学四大板块的航母。

1995年为了解决蓝星公司职工和家属出路问题,蓝星公司成立了马兰拉面快餐连锁有限公司。十余年过去了,让当初的创业者们始料未及的是,马兰拉面已不再是简简单单的“第三产业”,而是成长为一家独立的大型快餐集团,成长为“中国快餐第一品牌”。

兰州拉面与沙县小吃、重庆鸡公堡并成为中国餐饮三巨头,只要有中国人的地方,就有这三家餐饮店。但是能够品牌化经营的,可能只有马兰拉面了。

收购考特尔兹(courtaulds),进军碳纤维领域

翻开蓝星公司的成长历史,可以清晰的看出任建新在蓝星帝国的版图上上演着疯狂收购的故事。任建新不仅是一位善于经营实体的创业者,在资本市场也是长袖善舞。

10年来,他成功并购重组了107家国有困难企业,现在又创造了一系列国际并购的传奇。今年4月任建新收购全球第五大轮胎厂商倍耐力,被人称为并购王。几乎每一次并购,都给蓝星公司带来丰厚的利润,这几乎可以写入并购案教科书了。

2007年,蓝星公司收购了具有近200年历史的英国考特尔兹(courtaulds)公司,虽然这种收购经历了英国政府的重重阻碍。

其实这个名字我的印象很深,在每一个版本的碳纤维历史记录上,都会出现这个公司的名字。

如果说1959年日本的近藤昭男发明了聚丙烯腈(PAN)碳纤维奠定了碳纤维生产工艺流程的话,那么1963年英国皇家航空研究所的瓦特则打通了高性能PAN基碳纤维技术路线。原理说起来很简单,就是在聚丙烯腈预氧化过程施加牵伸力,这有点像做拉面。

第二年英国考特尔兹(courtaulds)公司就将瓦特的技术应用于生产高性能PAN碳纤维。可以说这家公司在碳纤维历史上占据非常重要的位置。

借助考特尔兹(courtaulds)公司碳纤维生产技术,蓝星公司进军碳纤维领域则是顺其自然的事情了。

虽然考特尔兹(courtaulds)公司在目前碳纤维版图上已经销声匿迹,虽然中国蓝星公司收购的仅仅是考特尔兹的聚丙烯腈原丝业务(碳化业务被SGL收购),但这并不影响蓝星公司的雄心壮志。

2008年,中国蓝星在兰州注册成立了“兰州蓝星纤维有限公司”,在兰州建设碳纤维生产基地,占地面积约358亩。这个项目规划碳纤维产能为3100吨/年,包含2条1500吨/年碳化生产线和一条100吨/年的碳化生产线;原丝装置包括1条5000吨/年与1条300吨/年生产线。

蓝星公司技术对英国技术进行消化吸收及优化、改造,使蓝星的碳纤维生产技术成熟可靠,能够实现从原辅料、聚合液、原丝、预氧丝、碳纤维全过程质量检测、生产控制和技术优化。

兰州和英国两个工厂是蓝星计划腾飞的起点,单纯看产能与未来规划,蓝星公司的碳纤维梦可以说是雄伟壮阔。虽然蓝星公司拥有NaSCN和DMSO两种溶剂工艺聚合生产技术,但要想获得蓝星其他并购案似的成功,还需要纺丝技术突破。

仔细想想,聚丙烯腈(PAN)的纺丝和拉面工艺竟还有些相似之处。

碳纤维纺丝的拉面工艺

同样的麦子,磨成同样的面粉,却可以做出不同的面条,表现不同的精彩。

这是《舌尖上的中国》对兰州拉面的一句评论。面粉和水充分混合后,在拉面师傅精湛的技巧下,面粉内富含胶原蛋白的面筋得以充分伸展,赋予拉面极富魅力的弹性和口感。

1959年近藤昭男在研究PAN作为碳纤维前驱体的时候,发现对聚丙烯晴原丝进行充分预氧化,可将PAN原丝转化成不熔不燃的梯形结构,开创了PAN制造碳纤维的新纪元。但是此时纤维内部大分子链段取向性不高,没有很好的力学性能。

直到1963年瓦特在预氧化过程中施加牵伸力,才真正打通PAN碳纤维的工艺路线。

这和拉面的工艺有着异曲同工之处。东华大学的吕永根教授曾经深入浅出的讲解了纺丝工艺和牵引原理。

粘稠的纺丝液从喷丝孔里挤出,形成的是溶液细流。怎么才能变成纤维?有很多办法,可以用高温把溶剂挥发掉,这就叫干法纺丝。民用也有用的,因为所得纤维太致密,影响后面的工艺,形状也很难保证圆的,一般是狗骨型,所以使用不多。

把溶液细流挤在水里,靠水把溶剂萃取掉,固体沉淀下来,也可以形成纤维。但水凝固的太快了。所以要在水里加入一定浓度的溶剂,这个就是凝固浴。把喷丝头闷在凝固浴里,溶液细流一出来就马上凝固,就是湿法纺丝。

如果把喷丝板抬高,抬出凝固浴,细流通过一段空气层再进入凝固浴就是干湿法纺丝。这个溶液细流在凝固浴里形成的这个叫初生纤维。

这个凝固过程异常的重要。可能形状也不是圆的。所以一般凝固浴里面的溶剂浓度比较高。温度,有高有低,温度低凝固慢,但很容易导致纤维截面不圆。不圆的原因就是纤维溶液细流内部的溶剂出来的快,凝固浴里的水进去的慢,导致塌陷,出来的纤维可能是心形的,严重的就是蚕豆形的。

凝固慢了,时间就要延长,所以凝固浴长度也是很重要的设计参数。这就是凝固的传质过程可以用菲克第二定律描述和计算。

除了传质之外,取向度很重要。将来生成的类石墨层片的取向度与高分子沿纤维轴向的取向度关系密切。这个取向度就是靠拉的方法,术语叫牵伸。跟拉橡皮筋一个意思。只是橡皮筋没有塑性只有弹性,所以一松手分子的位置又回去了。

凝固浴的牵伸靠的就是第一个导辊与喷丝的速度比。在喷丝孔道和凝固浴中形成的取向虽然不高,但对后续的影响较大。牵伸就是给一种力,叫做张力。不一定有伸长的才叫牵伸。负牵伸也是牵伸。牵伸恒定,张力恒定,初步的取向就产生了。

还有挤出胀大效应,单丝之间的均匀性,很多影响因素。后面就是水洗、热水牵伸和蒸汽牵伸了。跟拉面条差不多,一是把纤维拉细,二是把高分子拉直,使其沿着纤维轴向取向。

历史总是惊人的相似,一个是发扬了中国传统拉面美食的蓝星,一个是第一个使用拉面工艺做碳纤维的考特尔兹,在回回绕绕中走到了一起。

在做拉面的时候,要想拉出粗细不同的大宽、韭叶、毛细、荞麦棱子,不但要臂力过人,对力道的控制还要刚中带柔。擅长投资并购的中国蓝星能否刚柔并济的消化吸收英国的技术,带领中国碳纤维企业突破重围,我们拭目以待。

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