基于8121纤维复合材料的跨境产学研项目群Word下载.docx

基于8121纤维复合材料的跨境产学研项目群Word下载.docx

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高分子材料是材料领域的三大支柱之一，聚酰亚胺在高分子材料中占有突出的地位，是目前已经工业化的高分子材料中使用温度最高的品种之一，同时又具有高强度、高绝缘性、耐辐射、耐化学等综合性能，以多种材料形式，例如薄膜、纤维、塑料、复合材料、涂料、胶粘剂、分离膜、光刻胶、液晶取向剂等在航天、航空、微电子、机电、化工、汽车等方面都具有突出的应用地位。

除了优异的性能，聚酰亚胺在加工和成本方面，也具有明显的优势。

各国都将聚酰亚胺的研究、开发和应用列入21世纪最有希望的高分子材料之一。

据统计，2016年全球聚酰亚胺的年产量为14万吨左右（图1），美国、欧洲、日本是聚酰亚胺最主要的消费市场。

聚酰亚胺在各国家和地区消费构成有所不同，美国主要消费领域为塑料，占总消费量的80%左右；

欧洲主要消费领域为漆包线漆，占总消费量的70％～80％；

日本主要消费领域为薄膜和塑料，合计占消费量的95％左右。

随着航空航天、汽车，特别是电子工业的持续惊人发展，迫切要求电子设备小型化、轻量化、具备高功能和高可靠性。

聚酰亚胺所具有的优异性能能充分满足上述要求。

图1、2010-2016年全球聚酰亚胺产量

最近美国、世界和日本专利中有关聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜类及聚醚酮类专利数目所占的比例如图2所示，可以看出，在已经产业化的芳杂环聚合物中，聚酰亚胺占有绝对的主导地位。

图2、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜类及聚醚酮在各个专利中的分配

2、产业机会

目前国内产业政策调整的方向是：

传统制造业与房地产业要转为一般性产业，战略性新兴产业、服务业、现代制造业上升为未来的支柱产业。

战略性新兴产业有两个特点明显：

市场巨大、短期内技术能够突破。

新材料、节能环保和高端装备制造都属于战略新兴产业：

未来中国的许多产业提升要靠新材料来完成；

资源浪费和污染是个大问题，最终解决要靠技术；

高端装备制造是现代制造业的核心力量和关键瓶颈。

现代制造业未来可能也必须成为中国的支柱型产业，这是一个极大的挑战，也将带来极大的市场价值。

战略新兴产业发展起来每年带来的GDP总量应该在36万亿以上，约占中国2016年的GDP总量（74万亿）的一半。

我国的聚酰亚胺研究起步很早，研究单位在聚酰亚胺的合成和材料领域进行了大量工作，在产业化和应用方面却远远落后于国外水平，2010年我国聚酰亚胺薄膜的产量约1600 

吨；

而其他种类的聚酰亚胺产量不到10吨，仅为美国的千分之一，且价格昂贵。

对于航天、航空及其他军工部门需要的少量材料大都依靠研究单位少量供应。

聚酰亚胺在合成上具有许多条途径，可以根据各种应用目的进行选择，这种合成上的易变通性是其它高分子材料所难以具备的，也形成了聚酰亚胺原料国际市场的差异化竞争。

长春应用化学研究所开发的聚酰亚胺及制品合成新工艺，改变了传统聚酰亚胺的合成方法，开辟了一条新的氯代苯酐合成聚酰亚胺反应途径。

经综合测算，新加工工艺可使聚酰亚胺的生产成本降低30％以上。

新工艺可将氯代苯酐合成聚酰亚胺的反应步骤由6步简化为2步反应，从而大大减少了辅助试剂和溶剂的使用量，减少了废弃物的排放，降低了过程消耗，最终达到降低聚酰亚胺生产成本的目的。

该技术的实施为高性能高分子材料的市场开发和应用奠定了坚实的基础，同时也提高了国产聚酰亚胺产业在国际市场上的竞争力。

该技术是丁孟贤研究员在王大珩院士的鼓励下，一辈子以聚酰亚胺材料为“知己”，50余年磨一剑，从上万条合成路线中优选出几种合成路线，最终于2011年在北京金伦沃德有限公司创始人、民营企业家吕总的支持下，完成了轶纶8121纤维的产业化；

并于2012年完成了服用轶纶8121纤维的产业化。

经过初步实验验证，基于8121纤维的高强度碳纤维产品，其强度是普通粘胶基碳纤维的8倍，是东丽公司的明星产品T300碳纤维的6倍，同时是目前市面上东丽公司最强的T1000碳纤维的3倍，体现出了异乎寻常的优秀性能。

丁孟贤研究员最大的愿望是看到轶纶8121纤维在特种领域、军品领域的应用。

天津是一个老工业基地，工业发展历史悠久，产业体系较完整。

自滨海新区开发开放纳入国家战略以来，其制造业得到了快速发展，航空航天、特高压装备、高速机车、高速离心机、海上石油钻井平台等一批高端装备正在从天津走向全国，迈向世界。

在新一轮发展中，党中央、国务院赋予天津建设全国先进制造研发基地的重任，要求天津在产业结构调整和转型升级方面走在全国前列，其发展的重要方向是创新驱动转型和高端制造转型。

目前天津已经建成了9个国家新型工业化产业示范基地，在高端制造上，也形成了一定的产业优势。

但一些核心零部件、关键技术和基础材料还受制于人，系统总成技术还比较落后，尚需重点攻关。

3、解决方案

引入跨境创新团队和跨境创新平台，在天津滨海成立跨境创新产业研究院，在新材料产业研究院引入基于8121纤维复合材料的跨境产学研项目群，以8121纤维原料为基础，以牛津大学为技术前沿，以滨海创新产业园为技术孵化基地，以北京金轮沃德科技有限公司为战略合作伙伴，以长春高琦聚酰亚胺材料有限公司为生产基地，以高分子材料8121纤维为应用基础，结合当今技术不断突破的碳纤维材料，在航空航天、清洁能源、环保净化、电热材料、功能布料等领域进行孵化及产业化。

作为“解决问题的能手”，8121能够解决许多行业固有问题，突破相关核心零部件和关键技术瓶颈。

以优质基础材料入场，结合最前沿的国际科研力量，通过成熟的8121系列直接或少量研发进入产业领域，快速产业化，在国内转化成熟形成高端国际输出；

通过技术、资本与资源的优势配置，快速进入国外的产业，实现国内外双赢的全球输入、输出与合作。

二、研究与开发内容

1、8121碳纤维、活性炭纤维材料的开发

以8121纤维原料为基础，开发一系列新型8121纤维复合材料，使其具有轻质、高强度的特点，满足当前产业结构需求，并克服当前碳纤维所具有的脆性、难以与有机材料牢固结合、工艺复杂等缺点，最终形成以碳纤维为基础的新一代8121纤维复合材料。

（1）新型8121纤维

8121高温碳化碳纤维（图3a）

利用聚酰亚胺本身具有环状结构，分子链沿着纤维轴向分布特性，制备聚酰亚胺基碳纤维不需要原料调制和预氧化步骤，则工艺成本低于当前碳纤维三大原料路线。

目前试验结果是8121纤维通过高温碳化后制备的高强度碳纤维，具有超强的性能；

其抗拉强度是目前市面上东丽公司生产的T300碳纤维的六倍，T1000碳纤维的三倍（图3b）。

8121中温碳化活性炭纤维（图3C）

原创新技术：

通过中温碳化制备聚酰亚胺活性炭纤维，远优于普通活性炭及活性炭纤维。

聚酰亚胺基活性炭纤维具有多种优点：

比表面积大、微孔发达、吸附脱附速度快、易再生，可长期重复使用；

较强的耐酸碱、耐腐蚀、耐高低温；

强度高、韧性强，不易断裂，具有很好的塑性能力。

8121有机无机杂化纤维

分段式碳化纤维（图3d）：

碳纤维为无机材料，难以与有机材料牢固结合，复合材料内部会发生打滑现象，无法开发强度高的有机-无机复合材料。

为了解决这一难题，本项目将开发一种分段式碳化8121纤维（图3d），该纤维中未被炭化的聚酰亚胺部分（有机部分）可与同源有机树脂材料牢固结合，避免打滑。

由于聚酰亚胺本身具有高强度，分段碳化的8121纤维整体也具有优秀的力学性能。

包心式碳化纤维（图3e）：

包心式碳化纤维的研发主要用于解决当前刚性、脆性PAN基碳纤维无法适用于需要柔韧性的场合，以拓宽碳纤维的应用领域。

通过对8121纤维的外层进行局部均匀炭化，可获得内部为柔性聚酰亚胺芯体、外部为碳纤维包层的新型纤维（图3e）。

这种纤维整体具有柔韧性，并且可由8121纳米纤维碳化制得。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

（f）

图3（a）8121高温碳化碳纤维；

（b）8121碳纤维与其他纤维性能比较；

（c）8121中温碳化活性炭纤维；

（d）8121有机无机杂化纤维-分段式碳化纤维；

（e）8121有机无机杂化纤维-包心式碳化纤维；

（f）8121-碳纤维协同增强复合材料。

（2）新型8121复合材料

结合上述新型8121纤维，开发以长纤维为主体的8121复合纤维材料，如8121-碳纤维复合材料、聚酰亚胺基碳纤维、8121活性炭纤维材料等，该类材料可应用于航空航天、净化滤材、防火用品、电热器件等方面。

8121-碳纤维协同增强复合材料

碳碳复合材料具有耐高温、低密度、高强度、高模量和耐烧蚀等性能，是唯一能在2000℃以上长期使用的结构材料，特别是碳碳复合材料在1000~2300℃使用时其强度随着温度的升高不增反降，是航空航天和其他军事工业应用最理想的高温材料。

研发8121-碳纤维混合结构增强材料（图3f）。

聚酰亚胺具有极好的耐热性、耐腐蚀、耐磨性、耐疲劳性及优良的力学性能，作为碳化前驱体具有高效和缺陷少的优点。

通过8121与碳纤维相互作用，可以提高聚酰亚胺的炭化率，提高碳纤维和聚酰亚胺的结合力，使复合材料具有优异的性能。

随后，通过将复合纤维进行混合编织，也可获得具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、适用范围宽的二维结构增强材料。

8121活性炭纤维净化滤材

开发以8121活性炭纤维为主体的复合纤维滤料，在滤料上附加催化剂的形式使滤材满足各种环境的净化过滤需求。

2、8121纤维/氟硅橡胶复合材料的开发

研究背景：

氟硅橡胶具有优异的耐空气老化性能，耐高低温，弹性好等优点，但模量很低，无法直接用作各类航空航天器、机车上的密封圈、密封环等。

短纤维模量大，弹性小，把短纤维和橡胶混合在一起制成短纤维橡胶基复合材料，使复合材料既保持了橡胶的高弹性，又具有短纤维的高模量，使制品具有高模量、高硬度、高强度、耐磨、耐切割以及尺寸稳定等性能。

研究目标：

针对目前密封材料无法同时满足耐高低温，耐老化，耐化学介质，压缩永久变形小的问题，研制出一种新型高强度长寿命PI纤维/氟硅橡胶复合密封材料。

研究内容：

1.研究PI纤维的表面氟化或氟硅化改性技术；

2.研究改性PI纤维在氟硅橡胶硫化前后的分散、取向、界面粘合情况；

3.研究PI纤维尺寸，长径比，用量等因素对氟硅橡胶复合前后物理化学性能的影响。

关键技术：

1.PI纤维表面氟化或氟硅化改性；

2.PI纤维尺寸，长径比，用量及在氟硅树脂中聚集态结构的确定

技术方案：

以高低温性能优良，耐化学腐蚀，耐油，耐老化，高弹性的氟硅橡胶为基体材料，以优良的机械性能，高强度，耐辐射，耐高低温，阻燃性能佳，化学性质稳定的PI纤维为增强材料，复合成具有高强度长寿命PI纤维/氟硅橡胶复合密封材料。

技术途径：

1）氟硅橡胶的筛选：

比较各类氟硅橡胶的综合性能，以国内自主生产的产品为主，挑选性能最为优异的为基体材料；

2）PI纤维表面氟化或氟硅化改性：

根据筛选出的氟硅橡胶的主要化学组成、结构，设计和选择相应的化学试剂及反应路线，将含氟或含氟硅基团接枝到PI纤维表面；

3）改性PI纤维与氟硅橡胶的复合：

分析研究PI纤维尺寸，长径比，用量及在氟硅树脂中聚集态结构等因素对复合材料性能的影响；

4）分析测试PI纤维/氟硅橡胶复合密封材料的性能指标，并确定相关工艺。

PI纤维/氟硅橡胶复合材料有如下优点：

PI纤维的高模量与氟硅橡胶的高弹性有机地结合起来，使复合材料既保持了氟硅橡胶的高弹性，又具有PI纤维的高模量，从而提高橡胶制品的物理机械性能，使制品具有高模量、高硬度、高强度、耐磨、耐切割以及尺寸稳定等性能。

此外，PI纤维具有较高的熔点和分解