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      国内外碳纤维应用领域-市场需求 以及碳纤维产能的进展(3)
      时间: 2022-01-17  来源: 广东弗艾博纤维技术研究有限公司   作者: 小编

      国内外碳纤维应用领域、市场需求

      以及碳纤维产能的进展(3)

       

      钱伯章

      编辑:广东弗艾博纤维技术研究有限公司

      (上海擎督信息科技公司 金秋能源石化工作室,上海 200127)

       

      摘 要:汇述了碳纤维应用领域、世界碳纤维市场、世界碳纤维制造商产能及扩产计划、聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产商与制造工艺以及中国碳纤维发展现状与趋势,尤其近年来在大飞机重大专项的牵引下,我国各地争上千吨级碳纤维项目,而形成“碳纤维热”。同时,为缩小与国外先进水平的较大差距,提出“突破PAN原丝关键技术瓶颈,避免重复引进和重复研究,加快提升自主创新能力”3项发展建议。

      关键词:碳纤维;应用领域;市场需求;产能;进展

      中图分类号: TQ342.742; TQ327.3   文献标识码: A   文章编号: 1007-9815(2010)02-0029-05

       

      5 中国碳纤维发展现状与趋势

       

      5.1 国内需求

      尽管我国碳纤维生产发展较为缓慢,而消费量却一直呈逐年增加的趋势,市场需求旺盛。据有关部门统计,2008年我国碳纤维的年需求量已超过7 000 t,2010年将突破8 500 t。主要应用领域为:成熟市场有航空航天及国防领域(飞机、火箭、导弹、卫星、雷达等)和体育休闲用品(高尔夫球杆、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等),新兴市场有增强塑料、压力容器、建筑加固、风力发电、摩擦材料、钻井平台等,待开发市场有汽车、医疗器械、新能源等。

      聚丙烯腈基碳纤维(PA N - C F)在体育用品、民用飞机、工业领域已成为重要的基础材料。在我国全面启动和实施的大飞机重大专项整体配套项目中,包括了碳纤维等化工新材料项目。新型能源产业的发展,医疗器材、土木建筑行业的技术进步等也将带动对碳纤维产品的需求。

      近年来,中国航空航天技术的快速发展急需高性能碳纤维及其复合材料,我国体育休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的需求也迅速增长,体育休闲用品的使用量最大,占消费量的约80%~90%。我国正处于经济快速增长时期,随着西部大开发、中部崛起、东北振兴等战略的不断深入,碳纤维将会越来越多地被用于建筑工程和结构制品中。同时,随着我国汽车业的不断发展,碳纤维有可能在我国被大范围的应用到工业领域中。另一方面人们物质文化生活水平的不断提高,会有越来越多的人参与各种运动休闲活动??悸堑轿夜蕴枷宋挠τ没乖诓欢戏⒄?,许多用途还有待开发,碳纤维在我国将会有极为广阔的市场前景。此外,全球碳纤维市场发展迅速,需求量的不断增长对我国碳纤维行业的发展提供了难得的机遇。

      中国复合材料学会呼吁各界共同努力,力争使我国大飞机复合材料用量至少达到25%。我国大型飞机研制项目从立项开始,就得到了各界人士的高度关注?;褰峁垢春喜牧匣潭仁欠苫冉缘闹匾曛?。碳纤维复合材料能提高飞机的结构效能并降低制造成本,飞机结构复合材料化是大势所趋,并将从根本上改变飞机结构设计和制造传统。现在,我国碳纤维复合材料已经具有一定的研究和应用水平,并形成了一支从设计、材料到制造配套的研发队伍。各大主机厂均已建立了较完善的复合材料生产手段和车间,完成了相应的技术改造,碳纤维复合材料在各种军、民机型号上已获得应用。

      不过,我们在应用规模与水平、设计的理念方法和手段、材料的基础和配套制造的工艺、设备等方面均与国外先进水平有一定差距,尤其是实际应用方面。如我国军用战斗机上碳纤维复合材料最大用量尚不足10%,世界军机的机翼自上世纪80年代后就早已复合材料化了,我国至今尚无批生产的复合材料机翼问世;最新研制的ARJ21支线客机复合材料用量不足2%。

      哈尔滨飞机工业集团公司已经具备大飞机碳纤维复合材料研制的基础,可以在较高起点上与国外竞争。但由于国内碳纤维复合材料项目多而乱,没有很好的组织管理模式,严重影响了碳纤维复合材料的应用推广。为此,在大飞机用碳纤维复合材料开发推广应用上,必须要掌握各种关键技术,积极开展对内整合、对外合作。在技术攻关方面,要立足国内,有所创新,才能分得一杯羹。在产业发展方面,应边攻关边研制边设计。

      我国属于碳纤维消费大国,但我国2 0 0 8年碳纤维产能仅2 000 t左右,而且主要是低性能产品,没有形成规?;?,绝大部分依赖进口,由于缺少具有自主知识产权的技术支撑,国内企业目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。我国碳纤维的质量、技术和生产规模与国外差距很大,其中高性能碳纤维技术更是被西方国家垄断和封锁。

       

      5.2 研发与生产进展

      我国从上世纪7 0年代中期开始研发高性能碳纤维,经过近40年的发展,已取得了长足的进展,并在航天主导产品上得到了广泛应用。但从目前来看,国产碳纤维与进口产品特别是高端产品相比,在产品质量、功能的多样性以及产品性能的稳定性方面,都还存在着较大的差距。

      我国对碳纤维的研究起步并不晚,虽取得了一些进展,但多年来发展较为缓慢。20世纪60年代,由中科院长春应用化学研究所率先开始PAN基碳纤维的研究,70年代初完成了连续化中试装置。其后上海合成纤维研究所、中科院山西煤化所、北京化工大学、山东工业大学等也开始研究工作,并于80年代中期通过了中试,进入产业化试生产阶段,先后建成了从年产几百千克到几吨的小试装置和年产几十吨的中试装置。但总体而言,不论是技术水平、生产能力和产品质量等都与国外先进水平有较大的差距。

      进入2 1世纪以来,国内碳纤维产业发展较快,安徽华皖碳纤维公司率先引进了年产500 t原丝、200 t PAN-CF生产装置,成功地填补我国碳纤维及原丝工业产业化生产空白。该公司还计划5年内在自主研发的前提下,将碳纤维的年生产规模发展到1 000 t,同时配套年产2 500 t原丝,其中一部分碳纤维用于军工领域,一部分通过制成下游产品预浸布后投放市场。从2000年开始,我国碳纤维向技术多元化发展,放弃了原来的硝酸法原丝制造技术,采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

      近年来,国家有关部委已将碳纤维技术的产业化进程作为我国的一项战略任务。随后,一些企业相继加入碳纤维生产行列。目前,我国已有吉林神舟碳纤维公司、山东天泰新材料股份有限公司、浙江嘉兴中宝碳纤维有限公司、保定天鹅化纤集团、大连兴科碳纤维有限公司、山西恒天纺织新纤维科技有限公司等生产规模大小不一的碳纤维生产厂家,合计年生产能力为2 310 t。据不完全统计,目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家,合计生产能力为原丝年产量7 100 t、碳纤维1 560 t,其中在建企业为4家,合计生产能力为原丝年产量1 100 t、碳纤维470 t。

      2008年,我国全面启动和实施的大飞机重大专项整体配套项目中,包括了碳纤维在内的诸多化工新材料项目,随着以该专项为代表的国内各领域对碳纤维产品需求的增加,许多碳纤维研究项目或千吨级产业化项目纷纷启动。然而,由于我国碳纤维行业缺乏具有自主知识产权的核心产业化技术,产业发展不会一蹴而就,但发展契机已到。

      据介绍,从技术研发到产业化转化的难度更大,因此碳纤维要真正实现国产化还需要一个漫长的过程。由于市场短缺,近年来国内出现了“碳纤维热”,众多科研院所和企业纷纷启动了碳纤维研究或千吨级产业化项目。但应指出,虽然当前国内市场对碳纤维产品需求较大,但盲目发展存在很大风险,这些千吨级项目实施几年以后市场出现过剩将成为必然。

      国家发改委于2008~2009年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项,重点支持碳纤维、芳纶、高强高模聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化示范,以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求,培育一批具有国际竞争力的龙头企业。

      在高性能碳纤维复合材料项目中,国家将重点支持千吨级高性能碳纤维和PA N原丝生产工艺技术,预氧化炉、碳化炉等大型关键设备制造,纺丝油剂、碳纤维上浆剂、预浸料等重要辅助材料开发,以及高性能树脂基体材料开发、高性能碳纤维复合材料应用技术的产业化等;制定和完善高性能碳纤维生产、产品和应用的相关标准。

      要真正实现这一目标,我国应加强规划引导和整合,积极开展多学科交叉研究,联合攻关碳纤维技术,把PAN原丝研发放在首位,坚持产业化和研发两条战线布局,在国产碳纤维的核心关键技术和装备上有所突破。在材料、化工、装备等领域应抓住建造国产大飞机的契机,建立符合国际规范的中国碳纤维标准和技术体系,为将来国产大飞机应用做好准备。

       

      近期在碳纤维研发与投产方面:

      ⑴?上海石化公司腈纶事业部研制开发的碳纤维12 k原丝经后续碳化,碳纤维强度、模量、密度等关键指标已经达到日本东丽公司T-300级碳纤维指标标准,为下一步实现工业化生产打下基础。上海石化公司腈纶事业部腈纶研究所于2005年3月成立碳纤维研室,开始了碳纤维的研发工作。利用事业部原中试聚合装置进行一次又一次攻关,2006年终于试制出碳纤维原丝用聚合体约1 t。这1 t聚合体相继在东华大学、山东大学、北京化工大学的试验设备上完成了聚合体的酸洗、干燥、溶解、纺丝、预氧化和碳化。上海石化自有碳纤维终于诞生,碳纤维强度达到2.5 GPa,符合我国Ⅱ型碳纤维的指标,实现了该企业碳纤维产品零的突破,并在高新技术纤维领域填补了国家空白。

      从2007年4月起,上海石化腈纶部加快了碳纤维的开发步伐。该部将原中试装置由碳纤维研发试验专用,科研人员在中试装置上进行了4个聚合配方和8个批次的纺丝试验,根据实验结果不断改进方案。其间,腈纶部申报了“一种去除聚丙烯腈树脂中碱金属杂质的方法”等3项专利,为形成上海石化自主碳纤维原丝技术做好了充分的技术准备。为使试验装置能满足原丝试制的要求,

      2008年5月14日,碳纤维原丝中试装置改造启动。2008年11月首次投料试验。目前,腈纶部已在该装置上进行3次试验,试制的12 k原丝经后续碳化,碳纤维强度、模量、密度等关键指标,已经达到日本东丽公司T-300级碳纤维指标标准。上海石化碳纤维的研制和开发,已向工业化生产迈出坚实的一步。

      ⑵?中复神鹰碳纤维有限公司万吨级碳纤维一期工程,于2008年12月3日在江苏连云港基地投产,形成1 000 t/a规模碳丝生产能力,碳纤维技术首次在国内实现批量生产,打破了美、日两国主导国际碳纤维市场的局面。“六五”以来碳纤维一直是国家重点研发并实施科技产业化的攻关项目。中复神鹰公司的前身连云港鹰游纺机公司与江苏奥神集团合资成立了神鹰新材料有限公司,其碳化生产线2007年5月投产,碳纤维产量在20 t左右。2007年10月中国建材旗下的中国复合材料集团加入,3方成立中复神鹰碳纤维有限公司,新建了2 500 t/a PAN-CF原丝和1 000 t/a碳化生产线,从设备到生产百分之百实现了国产化。目前,中复神鹰已形成了3 200 t/a原丝、1 220 t/a碳丝的前后配套能力。据中国复合材料集团介绍,中复神鹰的产品大部分提供给中国复合材料旗下生产风力发电叶片的中复连众公司。12月3日,中复连众的2 MW风电叶片也已成功下线,成为全球兆瓦级叶片单厂产能最大的厂家之一。双方的合作将产生巨大协同作用。据介绍,中复神鹰从2009年开始攻关T700碳纤维项目,开工建设2 000 t/a生产线,在2年内达到 3 000 t/a规模,3~5年内达到1 万吨。中复神鹰的碳纤维未来也会考虑用于民用飞机生产。

      ⑶?2009年3月5日,沈阳康平高性能碳纤维产业园框架协议签约。该项目总投资30亿元,由中国化学纤维工业协会牵头,中纤创业投资公司、中国恒天集团等5家大型企业共同组建的沈阳中恒碳纤维产业集团有限公司投资建设。项目于5月开工建设,建设期3年。届时将实现年产PAN原丝12 500 t/a、PAN-CF 5 000 t、碳纤维预浸料400 万 m2。

      ⑷?2009年3月19日,衢州市经济开发区与浙江巨鑫碳纤维有限公司签订投资协议,总投资约3.9 亿元的巨鑫碳纤维项目落户该市经济开发区。巨鑫碳纤维项目主要从事碳纤维原丝生产、纤维碳化以及复合材料的研发、生产和销售,达产后年销售额将达10亿元以上。

      ⑸?从2002年开始,中国石油吉林石化公司先后组织4次科研攻关,针对硝酸法生产工艺中溶剂硝酸遇热分解腐蚀严重的问题,在小试研发基础上,研发出了亚砜法连续湿法纺丝技术,建成10 t/a原丝装置。随后,针对亚砜法原丝金属离子含量高、线密度离散大等问题,对原丝装置设备材质、传动精度、操作环境进行了改造,解决了聚丙烯腈原丝关键生产技术瓶颈。针对碳纤维产品长程线密度离散大、灰分含量高、微观结构差等问题,对聚合工艺及碳化工艺进行了优化,采用间歇聚合、碱性凝固成型、分步上油、表面处理技术,开发出了高端碳纤维产品。2009年5月,百吨级碳纤维装置全面建成投产,实现产业化。吉林石化碳纤维产品主要性能指标与日本东丽公司T300碳纤维产品相当,处于国际先进水平。该厂2009年碳纤维的产量将达到148 t,接下来将加快推进千吨级、万吨级碳纤维产业化进程,计划用3~8年的时间,实现碳纤维市场化和规?;?。

      ⑹?西安⑹?西安康本材料有限公司高强度HTCF-1级PAN-CF工程中试装置于2009年7月初建成投产,进入试生产阶段,目前装置运行稳定。据介绍,HTCF-1级PAN-CF项目总投资4.6 亿元,其中一期工程20 t/a碳纤维工程化生产线(即中试装置)于2007年11月在西安阎良国家航空高技术产业基地开工建设。2009年3月原丝生产线投料试生产,6月上旬碳化生产线成功实现全线贯通,打通工艺流程,产品性能达到国外同类产品水平,目前装置运行稳定??蒲腥嗽毕群蠊タ肆嗽洗炕胺乃恳汗思际醯榷嘞罟丶际?,并自主研发了聚合反应釜等碳纤维生产核心设备。面对国外的技术封锁,西安康本材料有限公司利用现有技术,适时进行了高性能碳纤维工程化项目开发。据了解,西安康本材料有限公司依托航天四院的雄厚技术实力,积极发展碳纤维复合材料新兴产业。该公司计划在碳纤维工程化生产线建成并实现稳定生产的基础上,将启动二期工程,投资2.1 亿元建设1 000 t/a碳纤维产业化项目,预计2010年底建成投产。

      ⑺?2 0 0 9年8月2 6日,沈阳中恒新材料有限公司碳纤维产业在沈阳市康平县奠基,使我国碳纤维产业结束了长达数十年研发、生产与应用相互脱节、分散发展的局面,进入产业链优势整合与集中建设的新阶段。沈阳中恒新材料有限公司(简称中恒公司)由中国恒天集团、中国化纤创业投资有限公司、辽宁天维纺织研究建筑设计集团有限公司、扬州惠通聚酯技术有限公司和吉研高科技纤维有限公司5家企业共同投资组建。5家企业分别在碳纤维原丝、碳化、下游制造及成套装备生产等产业链各个环节拥有核心技术,中恒公司的组建将有效整合产业链技术优势,大力推动我国碳纤维产业实现重大突破。新组建的中恒公司主要从事碳纤维原丝、碳纤维及其制品,特种纤维及复合新材料的研发与销售,同时开展化纤原辅料、金属材料、化纤化工设备、工程技术开发及新材料产业项目投资等多项业务。一期工程将建成年产1 500 t国产化高性能PAN原丝、500 t碳丝生产线及360 万m2碳纤维预浸料生产线。经过3~5年发展,中恒公司将建设成为我国在碳纤维生产、研发领域产业链、供应链齐全的具有相当市场占有率的大型科技型企业。目前我国碳纤维产业总体水平较为落后,在原丝质量稳定性、碳化炉等关键设备制造以及碳纤维下游制品的模具制造等方面与国际先进水平差距较大,中恒公司在今后的发展中应加强产品稳定性、生产低成本等方面的技术攻关,以高品质、低成本的产品,满足我国科技、经济和社会发展的需要。

       

      5.3 发展建议

       

      5.3.1 突破PAN原丝关键技术瓶颈

      日本、美国等主要生产公司长期以来不但对高性能特种原丝制备技术高度保密、不肯转让,也不出售高性能特种原丝产品,而且成套技术引进的可能性小。国内在制约碳纤维发展的诸多原因中,PAN原丝水平的落后是制约碳纤维生产水平提高的瓶颈,不仅影响碳纤维的质量,而且影响其产量、生产成本和市场竞争能力。当前亟待掌握高性能PA N原丝生产技术,抢占市场先机。在完善碳纤维生产技术的前提下,尽快在PAN原丝制造工艺技术上取得突破,发展高质量的上游产品生产线,保证碳纤维生产稳定、产品优质,从而在关键技术上打破了国外的封锁与垄断。

      5.3.2 避免重复引进和重复研究

      高性能纤维是国家材料科学发展的重要制高点,是国家重要的战略性基础材料,其技术突破与产业化应用对于推动社会发展有重要价值,决不能走以奖代研的路子,而是要敢于打破国外核心技术的垄断与封锁,坚定不移地走一条中国特色的自主创业和发展之路,不断提高自主创新的能力,有重点地突破碳纤维产业化发展制约“瓶颈”,提高国产化先进水平,缩小同发达国家的差距,在世界高性能纤维日新月异的新形势下尽快占有一席之地。同时要借鉴国外先进经验,加强产学研用紧密结合,建立相关机制,把高性能纤维产业发展上升到国家战略高度,使我国碳纤维产业能够快速健康地发展。

       

      参考文献

       

      [1] 钱伯章. 新能源科技与生产[J]. 北京:科学出版社,  2009.

      [2] GEIBER H.K. Carbon fiber advance[J]. Chemical Week, 2009, (6).

      [3] 我国碳纤维产业化“联合舰队”起航[N]. 中国化工 报, 2009.

      [4] 汪家铭. 聚丙烯腈基碳纤维的发展与应用[J]. 化工新 型材料, 2009, (8): 12-14