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我国复合材料工业的发展概况
时间:2011/3/14  浏览:4762

我国复合材料工业的发展概况----张贵学,张凤翻,益小苏,陈博
我国复合材料工业的发展概况
张贵学,张凤翻,益小苏,陈博
一、历史之回顾
    1956年赖际发部长率代表团在苏联考察学习4个月,开始认识到复合材料在国防军工上的重要作用,并把这种材料命名为“玻璃钢”。这就揭开了我国复合材料工业的序幕。
    我国的复合材料工业始于1958年。发展历程大致可分为两个阶段:以1978年12月份召开的中共十一届三中全会为界。此前致力于国防军工,为我国复合材料工业发展打基础;此后国家经济建设与人民生活所需的复合材料制品日趋发展。就这个行业本身而言,一直处于由小变大、由弱变强的进程之中。
    复合材料主要原材料之一的玻璃纤维工业起步稍早。1957年,在北京管庄的建材研究院与上海耀华玻璃厂先后以坩埚拉制出了无碱玻璃纤维。1959年在厦门、杭州、南京、天津、哈尔滨,次年在沈阳、常州、秦皇岛、洛阳、九江建立了玻纤厂或车间,为发展复合材料工业创造了物质条件。
1958年,在管庄玻陶研究院成立了玻璃钢研究组(后改名为“室”),用国产原材料制得了我国第一块玻璃钢板。同年,上海耀华玻璃厂试制成功中国第一条玻璃钢游艇与波形瓦、管道、坑道支柱与溜槽。

    1960年,复合材料由建材部(后改为局)归口管理。
1961年国防科委、国家科委同时向管庄玻陶研究院玻璃钢室和哈尔滨建工学院玻璃钢室下达了东风二号(1061)耐烧蚀大面积防热部件的研制任务。1964年6月29日装有该部件的东风二号发射成功。这就为复合材料工业的发展举行了奠基礼。
1965年,建材部在北京、上海、哈尔滨三地成立了玻璃钢研究所。
1965年10月,国家科委、国防科委、建材部联合召开全国玻璃钢工作会议,并举办展览会。党和国家领导人朱德、邓小平莅临参观。
60年代中期开发的中碱玻纤对发展耐酸蚀复合材料与降低成本、广为应用颇有意义。酚醛、不饱和聚酯树脂生产技术,手糊、层压、模压、布带缠绕、纤维缠绕工艺及设备设计技术此时已初步掌握。
1966年,建材部从英国引进不饱和聚酯树脂生产线,在常州二五三厂投产,对嗣后国内复合材料发展起到了启蒙和基础性的作用。直到30多年后的今天,许多当年的牌号还广被生产与使用。
1973年在郭遇昌、施松生、林希祥、沈沉、朱颐龄、王基春等同志的倡导下,全国性的玻璃钢技术交流组(现玻璃钢学会的前身)成立了, 1974年得到国家建材局的正式批准。
1974年,第一台国产冷却塔投入使用。
八十年代初我国复合材料工业的发展驶入了快车道。


1984年,经国家建材局报呈国家经委,批准中国玻璃钢工业协会成立。
1986年,引进意大利纤维缠绕复合材料管道与贮罐生产线,首开规模化大生产复合材料制品之先河。以此为契机,建立了我国的复合材料管道与贮罐工业,并促进了玻纤、树脂、助剂的技术进步。从而带动了我国整个复合材料工业的高层次、规模化发展。
二十世纪后15年来,引进了SMC、BMC、离心成型管、纤维缠绕连续管、纤维缠绕定长管、拉挤生产线、喷射机、RTM(树脂传递成型)机、连续板材成型机多台、套;引进了美、德、荷、英、意、日的不饱和聚酯生产技术;从日、德引进了环氧树脂生产技术;玻纤池窑拉丝已国产化,直接无捻粗纱与多种毡材已能供货。
进入21世纪以来,SMC与GMT模压汽车零部件、高压玻璃钢管、CNG瓶、拉挤型材组装的门窗、SMC模压门等产品长足发展。
台湾省复合材料行业始于1966年。早期生产浴缸、游艇、冷却塔、渔船。70年代引入玻纤、不饱和聚酯树脂、纤维缠绕、拉挤生产技术。80年代发展FRTP(热塑性玻璃钢)、碳纤及其运动器材。90年代发展碳纤自行车与高尔夫球杆及CFRTP(碳纤增强热塑性塑料),开发交通与航空上的应用。行业已从早期的劳力密集型过渡到技术密集/资本密集型,以国际市场为其生产导向。台商FRTP、胶衣、冷却塔、运动器材等已到大陆设厂。玻纤、树脂亦在江苏昆山与上海、广东建厂。
二、复合材料工业发展现状
(一)我国复合材料产量已经跃居世界第二
历经半个世纪,尤其是改革开放以来的30年,通过自主创新与吸收国际先进技术,复合材料在中国已成为星罗棋布的朝阳产业。
1986-2008,我国复合材料(热固性)增长近60倍。总量在上世纪90年代末期超过德国,本世纪初超过日本,热固性复合材料已超过欧洲总和。如今我国复合材料年产量仅次于美国,而居世界第二位。
 
(二)建立了较丰厚的原辅材料基础
1、增强材料
(1)玻璃纤维
1997年建立了我国第一个玻璃纤维拉丝池窑。迄今我国在线池窑共56座,年产能逾162万吨。世界上最大的无碱玻璃纤维池窑(10万吨/年)与中碱玻璃纤维池窑(4万吨/年)已于2006年投产。ECR(耐酸、高强度、高电阻无碱玻璃纤维)2005年在重庆问世。
除传统的中碱、无碱、高强、高模、高硅氧、耐碱玻璃纤维外,还开发了D(低介电)玻璃纤维、镀金属玻璃纤维。
(2)玄武岩连续纤维及其复合材料
2003年起步,现已能采用纯天然玄武岩拉制单丝直径5.5微米、连续长度5万米不断头的连续纤维;已研发成功混凝土用筋材、建筑结构补强材、高温过滤毡、多轴向织物等,并已出口到发达国家与地区,其生产工艺与产品质量达国际先进水平。
我(大陆)玄武岩纤维及制品已出口欧美、日本等国,并卖到台湾省。
2007年我国上海、浙江横店、四川成都、辽宁营口等地生产的玄武岩连续纤维,年产量达700吨。
(3)ACM(先进复合材料)用特种纤维
相比玻璃纤维,我国碳纤维、芳纶纤维发展令人扼腕。碳纤维有专门文章论述本文不赘述。“十五”期间自主研发的聚芳砜酰胺纤维(Polysulphonamide fiber)耐热性、阻燃性、染色性、稳定性均优于芳纶。
2、基体材料
(1)不饱和聚酯树脂(UPR)
1986年以来,我国从美国、日本、英国、意大利、挪威、芬兰、德国、荷兰等14个国家引进树脂和胶衣生产技术,促进了技术进步。我自行开发成功乙烯基酯树脂、二甲苯树脂、双环戊二烯(DCPD)树脂、对苯树脂、气干性胶衣、高韧性模具胶衣、紫外光固化树脂与胶衣等品种。
2008年我国UPR年产量达1万吨。
(2)环氧树脂
我国现在已经是环氧树脂产量、进口量、消费量最大的国家。上世纪80年代后期,岳阳、无锡分别自日本东都化成、德国巴克利特(bakelite)引进年产能3000吨的环氧装置,开始了中国大陆环氧树脂的规模化生产。中国大陆环氧树脂年生产能力逾120万吨。我环氧胶衣于2004年自行开发成功。
2007年我国产量60万吨,已居世界首位。
(3)酚醛树脂
1986年我国自行研发成功酚醛发泡;1994年现场发泡技术自行研发成功;1996年可用于接触成型、拉挤、缠绕、RTM等工艺的“新型酚醛树脂”项目通过国家验收。
我国生产酚醛树脂迄今已经60年,由于其耐温、阻燃、烟密度低等,至今在复合材料(含纸基覆铜版)方面仍广泛应用。
2006年我酚醛树脂产量约40万吨,约为日本年产量的1.4倍。
2006年酚醛树脂胶衣研发成功,性能优于英国水平。
(4)辅料
①1991年中空玻璃微球投入量产,用于制作模具、人造玛瑙、浴缸、反光标志等产品,可减重、增加刚度、降低成本。21世纪初,国产酚醛中空微球亦已问世。
②消泡剂、低收缩添加剂、润湿剂、触变剂等助剂可改善工艺性能、提高产品质量、降低成本。“十五”末期年用量为“九五”末期的3倍多。
三、技术与产品开发取得重大进步
(一)、机械化成型比例大幅提高
80年代末期,我国复合材料成型技术,接触(手糊)成型占85%以上,到“十五”末期,机械成型已跃升达60%(见表)。
“十五”末期我国GF/UPR各类成型工艺产品比例
手糊(含喷射)    纤维缠绕    SMC/BMC    拉挤    连续板材    其它
40    30    14    9    4    3
(二)、产品开发取得重大进步
1、纤维缠绕管道与贮罐生产技术达到世界先进水平
迄今自主开发的纤维缠绕管道制造方面的专利有30项,我已具备纤维缠绕工艺管、夹砂管、高压管的全套生产技术。ф4000mm玻璃钢管试制成功。新疆某输水重点工程成功地采用了ф3.1m玻璃钢管,单管长12m,重16吨。工程一次安装通水成功无泄漏,质量受到了国家发改委表彰。

图4  用国产设备生产的DN4000,压力0.25Mpa、刚度7500pa的大口径复合材料夹砂管道
在国家众多油田及西气东输工程中,成功使用了复合材料高压管,该管已出口巴基斯坦、马来西亚、越南、伊拉克、俄罗斯、哈萨克斯坦、阿联酋等国及台湾省。
复合材料贮罐实际已经做到单罐2000立方米,已出口到香港地区、美国、印度尼西亚、叙利亚等国。
为适应城市改造的需要,高校与企业结合,成功开发了复合材料顶管制造关键技术与施工技术。在广州施工内径2.5m的复合材料顶管,日顶进长度达到69m,给排水业内专家称,达到国际领先水平。
复合材料夹砂管在十五期间,年用量逾1000公里。高压环氧玻璃钢管2006年用量达3000公里。
1996年我国开始生产和使用复合材料电缆套管,现年用量逾5000公里。
我缠绕技术及装备已出口日本、韩国、东南亚、伊朗,部件已出口美国。
2、压力容器
1994年我开始开发CNG气瓶,并首先在首都公交车上装车使用(一辆车用90升气瓶9只)。北京已成为世界城市中以CNG为动力的公共汽车拥有量最多的城市。1997年我自主研发的环形压力容器投入使用。2006年我引进国外技术装备(内衬制造设备、纤维缠绕机),在苏州建立了年产能达11万只复合材料气瓶的生产基地。
3、SMC/BMC
迄今我已自日本、美国、德国引进18条SMC生产线,引进4条BMC生产线;今年引进连续法BMC生产装置。BMC注射技术也已用于规模化生产,所用注射机近年已国产化,台商与日本亦在内地设厂生产。
大量SMC/BMC制品已为日本、法国、德国知名企业配套。
进入21世纪5年来,SMC开发成功低温固化快速成型技术、高阻燃A级表面技术,并用于汽车件与火车客车厢内饰件上。
4、拉挤
2000年以来我国陆续引进加拿大两公司共6条复合材料门窗生产线。此前于1992年国内亦已开发拉挤型材组装门窗技术,现已可提供较先进的成套技术。
我现拥有国产拉挤生产线300余条,且开发了注射和浸渍树脂技术。1998年企业自主研发成功PU发泡拉挤复合材料保温墙体型材。同年采用国产酚醛树脂拉挤复合材料格栅型材成功。
我拉挤产品已出口欧洲、美国、东南亚;成套技术与设备已出口澳大利亚、南非、英国、美国、葡萄牙等国。
2006年我国拉挤型材产量逾10万吨,除绝缘棒、管为环氧树脂基体外,大多为不饱和树脂基体。
2006年自主研发成功在线编织玻璃纤维管,直接拉挤成型环氧复合材料电绝缘管。
5、建筑应用
1997年大型玻璃纤维增强塑料冷却塔国家标准出台,促进了1000立方米/小时以上复合材料冷却塔的发展,单塔现已发展到5000立方米/小时。上世纪90年代,大陆与台商分别研发了无风机冷却塔,其结构较简单、无风机噪音。
1999年容积1260立方米组合式水箱投入使用。
1997年从日本引进SMC模压整体卫生间生产线投产。喷射成型复合材料浴缸、人造玛瑙浴缸、雅克力浴缸生产已规模化、且批量出口。
玻璃纤维增强氯氧镁水泥通风管建材行业标准在1996年发布,产品广泛应用,无机复合材料板批量出口。
2004年我自主开发的首条现场发泡酚醛保温板连续生产线投产。
企业自主开发的SMC模压门于2003年试生产成功,受到外商青睐,已出口韩国、北美。
2006年SMC模压瓦生产自动线投入运行,并通过鉴定。
6、车辆与地面设施
近5年来SMC、GMT模压汽车件,火车内饰件发展迅速,已建成规模化的专业生产企业10家。双层客车壁板、洗手间地面、酚醛复合材料风管等已成功应用。汽车牵引的摩托车复合材料拖车出口欧美。火车铁轨连接用复合材料鱼尾板已投入实用。高速公路上的复合材料防眩板、反光标志已普及。地铁第3轨保护罩及其支座、电缆支架、紧急逃生平台等已规模化采用。
7、船艇
威海中复西港船艇公司向非洲安哥拉出口9.6米复合材料钓鱼船100条,已交付完毕。该公司并中标我国外援印尼实习船,该船为30.2米延绳钓鱼船,船速12节。
太阳鸟游艇公司制造的亚洲第一大的复合材料游览船“名人号”,由洞庭湖畔驶抵上海黄浦江。这条长36米的双体豪华游览观光船是2010年上海世博会接待宾客的定型船艇,载员310人。
由湖北三江环松公司开发,山东武城县新明玻璃钢制品公司制造的SMC模压复合材料摩托艇长5.786米,开我国大型金属模具热压成型复合材料之先河。
8、波形板、平板
我国现拥有200条生产线,大多采用毡制作。2006年我引进美国技术,新建一板材幅宽2.8m的生产线,为全国之最。
2006年全国产波形板1500万平米。
9、可再生能源方面的应用
2006年上半年有公司两家引进德国技术,制造成功1.5MW风机叶片,单片长37.5m、重5.7吨。
1.5MW(MW—兆瓦,1兆瓦=1000千瓦)风机叶片生产企业与拟上者已逾40家。产能最大者当推中复连众公司。北京玻璃钢研究院开发了适合我国风况的1.5MW—2.0MW风机叶片,叶片长40.25米,较37.5米叶片扫风面积提高15%,发电量提高10%以上(理论效率提高26%)。上海玻璃钢研究院开发了兆瓦级风力发电机复合材料叶片的相应软件与专用树脂体系等多项技术。保定已被称为风谷,不下3个企业生产风电叶片。
2007年初中国建材集团收购德国诺益(NOI)公司,在德成立SINOI公司,从事叶片设计、研发、制造、销售,计划年产2~2.5MW叶片100套,为欧洲主机商配套。
国内已开发成功太阳能复合材料沼气池(手工积层)、SMC模压沼气池,纤维缠绕沼气池。由于复合材料沼气池产气快、产气率高、运输、安装、使用、维护方便,解决农民做饭、照明、洗澡问题,且废液肥效高,故深受农民欢迎。
10、烟气脱硫
我国二氧化硫排量现居全球首位,烟气脱硫是国家环保的战略措施。1996年我与美公司合作,制作整套烟气脱硫装置。2006年春北京高碑店电厂烟塔合一除硫系统中,烟气管道采用ECR纤维增强乙烯基酯树脂制作的复合材料管,直径达7m,以立式缠绕机与卧式缠绕机现场制造,质量甚得好评。
11、热塑性玻璃钢(FRTP)
1992年玻璃纤维增强聚丙烯管挤出成型,管件注射成型技术研发成功,产品耐化学腐蚀性优于FRSP。
2003年开发了PP/GF混编的缝编织物,用于压制FRTP滑水板。长纤维增强热塑性塑料—粒料(LFT-G)生产线近两年已增至11条;台商在长春建成直接法(LFT-D)生产线,其产品为一汽配套。
2006年我国自主研发的年产5000吨GMT生产线,2007年下半年在江苏江阴投入运行。
泰山玻纤公司开发玻纤/热塑性树脂复合纱(国家863项目)及其复合材料制品生产工艺已取得突破性进展。
当前,我FRTP注射法占90%,按玻璃纤维含量25%计算,2006年中国大陆FRTP产量为48万吨,同比为美国的1/3。
材料是人类赖以生存与发展的物质基础,随着社会的进步,复合材料工业必将通过创新铸就更大的辉煌。

参考资料:
1、中国玻璃钢工业协会编:世纪之交的中国玻璃钢工业(2001.5)
2、中国复合材料工业协会 陈博:中国树脂基复合材料的发展

 

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