我國高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展-

1、綜述與專論合成纖維工業(yè),2009,32(1:40CH I N A SY NTHETI C F I B ER I N DUSTRY收稿日期:2008208221;修改稿收到日期:2008212202。作者簡介:侯培民(1957,男,教授級高工。從事石油化工技術(shù)的開發(fā)、咨詢和管理。我國高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展侯培民(中國石化上海石油化工股份公司,上海200540摘要:分析了我國高性能碳纖維的供需現(xiàn)狀,指出我國高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈中存在的原絲質(zhì)量、工程化技術(shù)和市場開發(fā)的問題;提出應(yīng)確定高性能碳纖維的市場定位,解決制約產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的技術(shù)及工程問題,爭取政策支持,進行從聚合、原絲到預(yù)氧化和碳化一條龍技術(shù)的配套

2、開發(fā),促進高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。關(guān)鍵詞:高性能纖維碳纖維聚丙烯腈纖維產(chǎn)業(yè)化中圖分類號:T Q342.742文獻識別碼:A 文章編號:100120041(20090120040204近年來,我國碳纖維的市場需求正在逐步擴大,碳纖維的開發(fā)和應(yīng)用受到業(yè)內(nèi)的普遍關(guān)注。美國Akz o 公司和日本東麗等公司開發(fā)高性能碳纖維已有40多年歷史,國內(nèi)也幾近同步開發(fā)研究。通過國內(nèi)外碳纖維開發(fā)和應(yīng)用的情況分析,探究其產(chǎn)業(yè)鏈中瓶頸、市場與發(fā)展戰(zhàn)略,對有實力的國內(nèi)企業(yè)提出投資碳纖維的若干建議,供開發(fā)碳纖維時作參考,使我國的碳纖維開發(fā)得到健康發(fā)展。1國內(nèi)外高性能碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀1.1世界碳纖維供需關(guān)系分析在20062

3、011年,世界的碳纖維平均年需求增長率約為11.7%,高于平均年增長率的是西歐及亞洲的一些國家,見表1。表1世界碳纖維消費量Tab .1W orld carbon f i ber con su m pti onkt國家及地區(qū)2002年2006年2011年20062011年平均增長率,%16.58227.83948.33711.7注:引用CEH 資料數(shù)據(jù)。1日本除外。2006年,世界碳纖維的生產(chǎn)已超過27kt,其總量的74%由美國和日本生產(chǎn),其主要市場為美國和西歐。2006年,世界碳纖維需求由美國提供為35%,日本為39%,西歐為21%和亞洲(除日本為5%。20022006年,世界碳纖維平均年需

4、求增長率為10.1%。2006年,美國消費世界碳纖維總量的39%,部分進口補充國內(nèi)消費量;亞洲的日本、印度、韓國和中國等國家為33%;西歐為28%。碳纖維最終產(chǎn)品需求在過去10年中已發(fā)生了很大的結(jié)構(gòu)性調(diào)整,占世界總需求量2/3的美國和西歐地區(qū),工業(yè)應(yīng)用已是最大的最終產(chǎn)品類別,其次是航空,之后是體育用品。1.2國內(nèi)碳纖維供需現(xiàn)狀分析我國從20世紀60年代后期開始研制碳纖維及原絲。目前,國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)和科研院所共10余家,現(xiàn)有生產(chǎn)能力約2kt/a,但產(chǎn)量不足0.5kt 。國內(nèi)市場對碳纖維的需求量每年都以15%的速度遞增。經(jīng)過30多年的努力,我國已經(jīng)研制出接近日本東麗公司T 2300水平的碳纖維

5、產(chǎn)品,但產(chǎn)量和品質(zhì)都遠不能滿足國內(nèi)需求,與國外差距甚遠。與國際先進水平相比,國產(chǎn)碳纖維的突出問題是碳纖維強度低,均勻性和穩(wěn)定性都較差,發(fā)展水平比發(fā)達國家落后了近30年,且生產(chǎn)規(guī)模小,技術(shù)設(shè)備落后,生產(chǎn)效益低。2006年,國內(nèi)碳纖維使用量接近3kt,且以10%15%的速度穩(wěn)步增長,國內(nèi)產(chǎn)量根本無法滿足需求,95%依賴進口。為使我國的碳纖維產(chǎn)業(yè)具有市場競爭能力,必須提高聚丙烯腈(P AN 原絲質(zhì)量、提升技術(shù)含量,擴大生產(chǎn)規(guī)模。只有高質(zhì)量的原絲才能生產(chǎn)出高性能碳纖維,才能穩(wěn)定生產(chǎn),提高產(chǎn)量,降低成本。擴大生產(chǎn)規(guī)模也是降低成本的有效途徑。2產(chǎn)業(yè)鏈中存在的問題2.1原絲的制備及質(zhì)量P AN基碳纖維不同于

6、普通P AN纖維,原料純度要求高。經(jīng)分析研究,原絲的缺陷很大部分來源于聚合原料中的金屬等雜質(zhì),如在原絲中鋅含量增大,原絲的強度和模量會下降。還有部分微粒污染物來源于所購原料的攜帶、化學(xué)反應(yīng)后的副產(chǎn)品、溶劑處理過程中的污染以及設(shè)備的腐蝕和環(huán)境的塵埃等1。必須進行3級以上過濾,達到除雜精度的要求,過濾精度控制在0.5m。由于均聚P AN分子內(nèi)聚能大,生成的大分子鏈結(jié)構(gòu)較規(guī)整和結(jié)晶度高,適當(dāng)加入第二單體、第三單體進行共聚,起到調(diào)控大分子鏈的規(guī)整度,降低大分子鏈間的內(nèi)聚能并適當(dāng)降低結(jié)晶度。衣康酸是常用的共聚單體,功能改性效果較好。隨著衣康酸用量的增加,原絲在預(yù)氧化過程中環(huán)化溫度逐步下降,可加快環(huán)化反應(yīng)

7、速度2。但并非用量增加越多越好,用量越高,所制預(yù)氧絲的密度越低,影響致密化,使碳纖維強度下降3。同時,由于酯基位阻作用,使預(yù)氧化反應(yīng)過程中的雙擴散反應(yīng)易于進行,提供氧向纖維芯部擴散和滲透的分子級通道,可制得均質(zhì)預(yù)氧絲4。由于濕法紡絲纖維存在皮芯結(jié)構(gòu)5,而在碳纖維原絲中,皮芯結(jié)構(gòu)的比例多少對預(yù)氧化過程中制取內(nèi)外結(jié)構(gòu)均勻的均質(zhì)預(yù)氧絲非常重要。預(yù)氧化過程是一種雙擴散過程,氧由表及里向纖維內(nèi)部擴散,由于濕法紡絲纖維存在皮芯結(jié)構(gòu),在預(yù)氧化時首先在纖維的表層形成了致密的梯形結(jié)構(gòu)薄層,阻礙了氧向內(nèi)擴散,使纖維芯部形成環(huán)化、交聯(lián)度較低的芯層,這樣會形成預(yù)氧化后因原絲非均質(zhì)和預(yù)氧化梯形擴散的“雙重”皮芯結(jié)構(gòu)。這

8、種皮芯結(jié)構(gòu)愈顯著,拉伸強度和楊氏模量就愈低。所以,近年來業(yè)內(nèi)研究人員在深入研究如何從共聚單體開始就注重皮芯結(jié)構(gòu)的消除,制取內(nèi)外結(jié)構(gòu)均勻的均質(zhì)預(yù)氧絲。2.2工程化技術(shù)我國碳纖維的研究起步于20世紀的60年代初,70年代末正式納入國家科技攻關(guān)計劃,在70年代中期建立了我國第一條碳纖維中試生產(chǎn)線。雖然,我國的碳纖維研制起步不算晚,但存在原絲生產(chǎn)的碳纖維性能均未能穩(wěn)定達到T2300的水平。規(guī)模處在小試、中試的階段,設(shè)備簡陋,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,技術(shù)力量流失等問題。由于前后流程裝備不配套,使碳纖維的產(chǎn)業(yè)鏈上開發(fā)處于斷斷續(xù)續(xù)狀態(tài)。近年來,中科院山西煤化所與揚州惠通聚酯責(zé)任有限公司共建了碳纖維聯(lián)合實驗室,研制高

9、性能P AN基碳纖維,并籌劃建立產(chǎn)業(yè)化的基地;山東工業(yè)大學(xué)自1992年開始P AN碳纖維的研究,自行設(shè)計、制造的全套碳纖維連續(xù)生產(chǎn)線,用國產(chǎn)P AN原絲制造出了S2300高強高模碳纖維,于1994年通過了省級技術(shù)鑒定,1995年12月通過了中試生產(chǎn)驗收。1998年5月山東省又在泰安建成40t/a產(chǎn)能的碳纖維生產(chǎn)裝置。安徽蚌埠已建0.5kt/a產(chǎn)能亞砜法P AN基原絲和0.2kt/a碳纖維生產(chǎn)線。浙江嘉興中寶碳纖維責(zé)任有限公司的本世紀初籌劃建立1.2kt/a產(chǎn)量大絲束,目前先建后道預(yù)浸料等下游產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計,我國碳纖維在建擬建的投資項目就有上百個,企業(yè)投資熱情非常高漲,但碳纖維已建項目分析,有許多

10、項目因技術(shù)和產(chǎn)品定位問題而無法產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),更有投資上億元的企業(yè)倉促建設(shè)面臨工程化問題而瀕臨破產(chǎn)。在中國,碳纖維工程化問題是制約碳纖維規(guī)模效應(yīng)、獲得生產(chǎn)利潤的瓶頸6。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈非常長,包括聚合、原絲制備、預(yù)氧化、碳化、織造、預(yù)浸和成品等工序,就是一個有實力的企業(yè)也不可能各種工序都由自己來完成。從國內(nèi)的一般情況看,纖維廠從原絲做到碳纖維,從織造到成品則由生產(chǎn)最終產(chǎn)品廠家去完成,因此,碳纖維的生產(chǎn)品種受到后道市場的制約。碳纖維在進行規(guī)模生產(chǎn)之前,即在開發(fā)某一品種的同時,應(yīng)考慮到產(chǎn)品用戶的配套開發(fā)。用戶在試用過程中發(fā)現(xiàn)問題,及時反饋改進工藝,一旦投入規(guī)模生產(chǎn)就能充分發(fā)揮經(jīng)濟效益。3發(fā)展建議3.1實力

11、企業(yè)碳纖維的市場定位我國的碳纖維產(chǎn)量、質(zhì)量和品種都與國際水平有很大的差別。因此,在前階段,我國的一些廠家主要是向國外購買碳纖維來進行后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn),如體育休閑用品:網(wǎng)球拍、釣魚竿,工業(yè)用品,剎車片等。從國內(nèi)碳纖維開發(fā)和市場發(fā)展所經(jīng)歷的軌跡來分析,目前的當(dāng)務(wù)之急是研究解決與世界普通型碳纖維(類似于日本東麗公司T2300水平的碳纖維的強度與模量的質(zhì)量穩(wěn)定性,從技術(shù)角度研究普通模量關(guān)鍵性技術(shù)的瓶頸制約難題。在此基礎(chǔ)上,國內(nèi)具有研發(fā)和投資能力的實力企業(yè),利用質(zhì)量穩(wěn)定的普通型碳纖維技術(shù),把工程化綜合集成技術(shù)運用到生產(chǎn)大絲束碳纖維,可14第1期侯培民.我國高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展領(lǐng)先填補國內(nèi)大絲束碳纖維生產(chǎn)

12、的空白,同時,這一階段也正好跟隨國際的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐,即跟上工業(yè)用大絲束碳纖維的發(fā)展勢頭。3.2投資戰(zhàn)略思考原絲的質(zhì)量是獲得優(yōu)質(zhì)的碳纖維的關(guān)鍵,因此,投資聚合和原絲的開發(fā)及裝備是必須的,是控制產(chǎn)業(yè)鏈開發(fā)核心技術(shù)的關(guān)鍵。但從國外碳纖維生產(chǎn)廠來看,預(yù)氧化、碳化裝備在投資時是一并考慮的,這是因為普通模量的碳纖維市場價格約為26$/kg,而原絲的市場價格僅為碳纖維市場價格的1/107/10。從聚合到碳化的一體化投資,在效益上可獲得利潤最大化,另從戰(zhàn)略角度考慮是從聚合、原絲、預(yù)氧化和碳化技術(shù)一條龍開發(fā),在技術(shù)上起到壟斷作用。企業(yè)用戰(zhàn)略眼光開發(fā)碳纖維是一種投資方向,有著良好的市場前景。首先,應(yīng)建立中試

13、裝置開發(fā)原絲和碳纖維,其次,在較為穩(wěn)定取得接近T2300碳纖維質(zhì)量的同時,必須與后道企業(yè)建立開發(fā)的戰(zhàn)略聯(lián)盟,為今后形成專用料產(chǎn)業(yè)鏈奠定基礎(chǔ)。有投資實力的企業(yè)也可同時建立原絲、預(yù)氧化和碳化配套的中試裝置,在開發(fā)原絲技術(shù)的初期,購買原絲利用預(yù)氧化和碳化裝置進行研究和后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā),可縮短整個產(chǎn)業(yè)鏈的開發(fā)周期。然后在開發(fā)的過程中,各種工藝試驗始終要考慮今后的產(chǎn)業(yè)化工程技術(shù)如何開展。規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的途徑有兩種可供選擇,一種是利用全新的開發(fā)技術(shù)進行規(guī)模工程化設(shè)計,即裝置是整套投入,技術(shù)的成熟度和工程化磨合程度有待時間的考驗,建成的裝置投資風(fēng)險比較大;另一種是腈綸生產(chǎn)廠可把現(xiàn)有的腈綸濕法紡絲裝置利用開發(fā)的原絲

14、的技術(shù)進行技術(shù)改造,在規(guī)模產(chǎn)業(yè)化初期,改建一條可生產(chǎn)碳纖維原絲又能進行普通腈綸生產(chǎn)的雙功能生產(chǎn)線,根據(jù)市場的需求調(diào)節(jié)品種的更換,投資成本可大大降低,提高碳纖維的市場競爭能力。英國Courtaulds公司就是后者成功的案例,有現(xiàn)有腈綸濕法紡絲裝置的企業(yè)用后一種方法開發(fā)碳纖維項目是可取的。3.3爭取政策支持從國內(nèi)的碳纖維發(fā)展來看,高模、超高模的碳纖維產(chǎn)品更存在批量小、開發(fā)技術(shù)難度大的狀況;現(xiàn)在國內(nèi)還處在普通模量碳纖維小規(guī)模生產(chǎn),質(zhì)量還不夠穩(wěn)定的階段,目前消費量的95%還需要進口。對有實力的想進入碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域又必須追求效益為先的企業(yè),開發(fā)高模、超高模的碳纖維產(chǎn)品則不是目前投資的主要目標(biāo),其主要精力

15、集中在提高普通模量碳纖維質(zhì)量技術(shù)和規(guī)模工程化開發(fā)上,這對企業(yè)是一種挑戰(zhàn),也存在著一定的風(fēng)險。為了降低風(fēng)險投資,在開發(fā)階段可爭取國家對碳纖維開發(fā)的扶持政策,之前,國家“863計劃”以及有關(guān)部委都在關(guān)心我國碳纖維工業(yè)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化步伐,有些從事碳纖維研究的高校和研究單位已獲得了這方面的支持。3.4知識產(chǎn)權(quán)問題在碳纖維開發(fā)過程中,必須有自主創(chuàng)新的各項技術(shù)進行支撐,并對其知識產(chǎn)權(quán)進行有力的保護,要有一套嚴密的措施做好技術(shù)保密工作,并重視原始實驗數(shù)據(jù)的保存和歸檔。另一方面,國內(nèi)外已有為數(shù)眾多的有關(guān)碳纖維技術(shù)專利公布,在開發(fā)過程中可以作為了解和啟迪,切忌不能抄襲、模仿公布專利中的授權(quán)范圍用于技術(shù)開發(fā),以

16、規(guī)避以此帶來的技術(shù)風(fēng)險。國外有此先例,特別是在國際上只有少數(shù)幾個公司壟斷的技術(shù),某公司有抄襲、模仿之嫌疑,一旦進入生產(chǎn)階段產(chǎn)品對外銷售,就會卷入國際上的技術(shù)侵權(quán)紛爭,以此帶來經(jīng)濟上的損失和企業(yè)形象的損害。3.5技術(shù)支持和人才培養(yǎng)由于碳纖維產(chǎn)業(yè)正處于上升周期,市場前景看好。國內(nèi)想投資碳纖維項目,國際上是沒有一家公司會輸出中高檔的成套技術(shù),大多數(shù)準(zhǔn)備引進項目的技術(shù)和設(shè)備水平屬國際下等水平,引進后的消化、吸收與創(chuàng)新是面臨的重大課題。就是其技術(shù)來源只能借助國內(nèi)已開發(fā)的成熟技術(shù)和自主開發(fā)技術(shù)。碳纖維是一門多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的系統(tǒng)工程。因此,在碳纖維技術(shù)開發(fā)時,特別在工程化開發(fā)時,要汲取國內(nèi)外在開發(fā)過

17、程中成敗的經(jīng)驗,可聘請有開發(fā)經(jīng)歷的專家作為項目的顧問,或邀請從事碳纖維開發(fā)的院校資深教授加盟某一技術(shù)的研究;同時,在裝備上要對前后工序匹配合理性進行研究,對一些需滿足工藝要求而無法定制的設(shè)備要有提前量的研制考慮,這是工程化推進的關(guān)鍵要素。明確碳纖維開發(fā)項目后,應(yīng)制定中長期開發(fā)的目標(biāo)。結(jié)合各時間段的任務(wù),安排專業(yè)人員進行技術(shù)攻關(guān),碳纖維的開發(fā)是一項艱巨的工作,明確各項目標(biāo)任務(wù),訂出計劃周密實施。4結(jié)語碳纖維產(chǎn)業(yè)是有較長的產(chǎn)品鏈產(chǎn)業(yè),前景看24合成纖維工業(yè)2009年第32卷好,開發(fā)任務(wù)艱巨。我國碳纖維的發(fā)展有成敗的經(jīng)驗與教訓(xùn),因此,開發(fā)碳纖維既要考慮技術(shù)開發(fā)時的產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)制約問題,又要考慮產(chǎn)業(yè)鏈中

18、前后道的呼應(yīng)銜接問題,在此同時,要用戰(zhàn)略發(fā)展的眼光,抓住我國發(fā)展碳纖維的有利時機,著手解決碳纖維開發(fā)中碰到的各類問題,使碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈良性有序的開發(fā)和發(fā)展。參考文獻1日本東麗株式會社.聚丙烯腈基碳纖維用原絲的制造方法P .日本公開特許公報,特開平11212854.19992賀福.碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)M .北京:化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心,2004.14213Fiter E .I nfluence itaconic acid on stabilzati on rates of P AN M .Sixth .London:I nternati onal Carbon and graphi

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