碳纖維的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

1、碳纖維的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，分子結(jié)構(gòu)界于石墨和金剛石之間，含碳體積分?jǐn)?shù)隨品種而異，一般在0.9以上。一、碳纖維的性能1.1分類根據(jù)原絲類型分類可分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和粘膠基3種碳纖維，將原絲纖維加熱至高溫后除雜獲得。目前，PAN碳纖維市場(chǎng)用量最大；按力學(xué)性能可分為高模量、超高模量、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度4種碳纖維；按用途可分為宇航級(jí)小絲束碳纖維和工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維，其中小絲束初期以1K、3K、6K（1K為1000根長(zhǎng)絲）為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，大絲束為48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。1.2性能碳纖維的主要性能：(1密度小、

2、質(zhì)量輕，密度為1.52克/立方厘米，相當(dāng)于鋼密度的l/4、鋁合金密度的1/2；(2強(qiáng)度、彈性模量高，其強(qiáng)度比鋼大4-5倍，彈性回復(fù)l00%；(3具有各向異性，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降，耐驟冷、急熱，即使從幾千度的高溫突然降到常溫也不會(huì)炸裂；(4導(dǎo)電性好，25。C時(shí)高模量纖維為775/cm，高強(qiáng)度纖維為1500/cm；(5耐高溫和低溫性好，在3000。C非氧化氣氛下不融化、不軟化，在液氮溫度下依舊很柔軟，也不脆化；(6耐酸性好，對(duì)酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。此外，還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。通常，碳纖維不單獨(dú)使用，而與塑料、橡膠、金屬、水泥、

3、陶瓷等制成高性能的復(fù)合材料，該復(fù)合材料也具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等優(yōu)良性質(zhì)，已在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1.3應(yīng)用領(lǐng)域由于碳纖維具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性，因此被廣泛應(yīng)用于土木建筑、航空航天、汽車、體育休閑用品、能源以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。此外，碳纖維在電子通信、石油開采、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，主要用于放電屏蔽材料、防靜電材料、分離鈾的離心機(jī)材料、電池的電極，在生化防護(hù)、除臭氧、食品等領(lǐng)域種也有出色的表現(xiàn)。二、生產(chǎn)工藝通常用有機(jī)物的炭化來(lái)制取碳纖維，即聚合預(yù)氧化、炭化原料單體原絲預(yù)氧化絲碳纖維。碳纖維的品質(zhì)取決于原絲，其生產(chǎn)工藝決定了碳

4、纖維的優(yōu)劣。以聚丙烯腈(PAN纖維為原料，干噴濕紡和射頻法新工藝正逐步取代傳統(tǒng)的碳纖維制備方法(干法和濕法紡絲。2.1干噴濕紡法干噴濕紡法即干濕法，是指紡絲液經(jīng)噴絲孔噴出后，先經(jīng)過(guò)空氣層(亦叫干段，再進(jìn)入凝固浴進(jìn)行雙擴(kuò)散、相分離和形成絲條的方法。經(jīng)過(guò)空氣層發(fā)生的物理變化有利于形成細(xì)特化、致密化和均質(zhì)化的絲條，紡出的纖維體密度較高，表面平滑無(wú)溝槽，且可實(shí)現(xiàn)高速紡絲，用于生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的碳纖維原絲。干噴濕紡裝置常為立式噴絲機(jī)，從噴絲板噴出的紡絲液細(xì)流經(jīng)空氣段(干段后進(jìn)入凝固浴，完成干噴濕紡過(guò)程；再經(jīng)導(dǎo)向輥、離浴輥引出的絲條經(jīng)后處理得到PAN纖維。離開噴絲板后的紡絲液細(xì)流先經(jīng)過(guò)空氣層(干段再進(jìn)入

5、凝固浴，干段很短，但對(duì)凝固相分離和成纖結(jié)構(gòu)有著重大影響，在空氣層，擠出的紡絲液細(xì)流中的溶劑急速蒸發(fā)，表面形成了薄薄致密層，細(xì)流進(jìn)入凝固浴后可抑制雙擴(kuò)散速度；由于在噴絲板出口處產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，靠細(xì)流自身的重力以及牽伸力向下流動(dòng)，然后經(jīng)干噴濕紡的正牽伸可使脹大部分被牽伸變細(xì)后進(jìn)入凝固?。荒淘〔捎玫腿軇┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)配比和低溫凝固，低溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比可加大溶劑與細(xì)流之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差，加速擴(kuò)散；低溫可抑制擴(kuò)散速度，利于沉淀結(jié)構(gòu)致密化、均質(zhì)化，最終紡出的原絲和所制碳纖維表面較平滑而無(wú)溝槽。與純濕紡相比，干噴濕紡可紡出較高密度且無(wú)明顯皮芯結(jié)構(gòu)的原絲，大幅提高了纖維的抗拉強(qiáng)度，可生產(chǎn)細(xì)特化和均質(zhì)化的高性能碳纖維。

6、2.2 射頻法PAN原絲經(jīng)過(guò)預(yù)氧化(200350。C，射頻負(fù)壓軟等離子法、碳化(8001200。C，微波加熱法到石墨化(2 4002 600。C，射頻加熱法，主要受到牽伸狀態(tài)下的溫度控制。在這一形成過(guò)程中達(dá)到纖維定型、碳元素富集，分子結(jié)構(gòu)從聚丙烯腈高分子結(jié)構(gòu)亂層的石墨結(jié)構(gòu)三維有序的石墨結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“射頻法碳纖維石墨化生產(chǎn)工藝”開辟了碳纖維生產(chǎn)的創(chuàng)新之路，它采用射頻負(fù)壓軟等離子法預(yù)氧化PAN原絲，接著用微波加熱法碳化，最后用射頻加熱法石墨化形成小絲束碳纖維。三、碳纖維的發(fā)展 3.1國(guó)外發(fā)展以PAN碳纖維為例，該纖維國(guó)際上研發(fā)已有30年左右，目前世界碳纖維的生產(chǎn)能力在3.43.8萬(wàn)噸

7、左右，主要集中在日本、英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)臺(tái)灣省。日本三家以腈綸纖維為主要產(chǎn)品的公司（東麗、東邦以及三菱人造絲公司）依靠其先進(jìn)的紡絲科學(xué)技術(shù)，形成了高性能原絲生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，大量生產(chǎn)高性能碳纖維，使日本成為碳纖維大國(guó)，無(wú)論質(zhì)量還是數(shù)量上都處于世界前三位，三大集團(tuán)占據(jù)了世界75%以上的產(chǎn)量。3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維的研究開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)由于碳纖維作為重要的軍工產(chǎn)品，國(guó)外對(duì)我國(guó)進(jìn)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，使得當(dāng)時(shí)我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維基本上以自主研究開發(fā)為主。1976年中科院山西煤化所建成第一條聚丙烯腈基碳纖維中試生產(chǎn)線，生產(chǎn)出高強(qiáng)I型碳纖維，其產(chǎn)品性能基本達(dá)到日本東

8、麗公司的T200。繼而從“六五”開始試制高強(qiáng)型碳纖維(相當(dāng)于T300，但到目前為止產(chǎn)品性能指標(biāo)仍未達(dá)到T300標(biāo)準(zhǔn)。吉林石化公司在采用硝酸一步法生產(chǎn)原絲的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出性能基本接近T300的碳纖維，但該法對(duì)環(huán)境污染較大，因而現(xiàn)已放棄。由于種種原因我國(guó)碳纖維發(fā)展緩慢，表現(xiàn)為生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品規(guī)格少、品種單一、沒(méi)有高性能產(chǎn)品、技術(shù)設(shè)備落后，大多沒(méi)有形成規(guī)模效益，這些成為制約我國(guó)碳纖維發(fā)展的瓶頸。近些年來(lái)，隨著我國(guó)整體實(shí)力的不斷提升，對(duì)碳纖維的需求量也與日俱增，而我國(guó)碳纖維現(xiàn)階段大部分依賴進(jìn)口，2004年全國(guó)碳纖維用量為4000噸，國(guó)內(nèi)實(shí)際產(chǎn)量?jī)H為1O多噸，而且無(wú)論是質(zhì)量還是規(guī)模與

9、國(guó)外相比差距都很大。另?yè)?jù)估測(cè)2009年我國(guó)碳纖維需求將達(dá)到7500噸，這表明我國(guó)碳纖維嚴(yán)重供不應(yīng)求。盡管目前國(guó)際社會(huì)碳纖維的制造技術(shù)與產(chǎn)品對(duì)華出口有所松動(dòng)，通用級(jí)碳纖維進(jìn)口渠道已經(jīng)開通，但高性能碳纖維對(duì)我國(guó)依然限制。近年來(lái)，由于我國(guó)對(duì)碳纖維需求的日益增加，聚丙烯腈基碳纖維又成為國(guó)內(nèi)新材料業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)，如上海石化公司準(zhǔn)備采用NaSCN一步法生產(chǎn)數(shù)千噸PAN基原絲。上海星樓實(shí)業(yè)有限公司擬建立400噸/年大絲束碳纖維生產(chǎn)線，上海市合纖所采用亞砜?jī)刹椒ㄑ兄坪托∨可a(chǎn)PAN基原絲以及碳纖維，上海碳素廠也有小型碳化線及碳纖維下游產(chǎn)品。安徽華皖集團(tuán)(原蚌埠燈芯絨集團(tuán)公司建立500噸/年 PAN原絲和200

10、噸/年碳纖維生產(chǎn)線，其PAN原絲采用亞砜一步法，技術(shù)由國(guó)外引進(jìn)，產(chǎn)品以12K的T300級(jí)碳纖維為主，并準(zhǔn)備引進(jìn)成熟的預(yù)浸料生產(chǎn)線。廣西桂林市化纖總廠擬建200噸/年碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)品為3-12K的小絲束碳纖維。山東天泰碳纖維有限責(zé)任公司將建立400噸/年生產(chǎn)線，碳纖維性能為T300級(jí)水平，產(chǎn)品以12 K為主。青島化工學(xué)院高分子工程材料研究所(恒晨公司將建立50噸/年左右的碳纖維生產(chǎn)線。江蘇揚(yáng)州與中國(guó)科學(xué)院山西煤炭研究所也計(jì)劃合作建立高性能聚丙烯腈原絲和碳纖維的生產(chǎn)中試基地。吉林石化公司放棄了以前采用硝酸一步法生產(chǎn)原絲的技術(shù)，與北京化工大學(xué)合作承擔(dān)了國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，共同研究開發(fā)二甲基亞

11、砜法高性能聚丙烯腈原絲生產(chǎn)技術(shù)，并將充分依靠自己的技術(shù)建立500噸/年原絲和200噸/年碳纖維生產(chǎn)線。蘭化集團(tuán)化纖廠已有100噸/年原絲生產(chǎn)線和預(yù)氧化生產(chǎn)裝置，計(jì)劃配套碳化裝置生產(chǎn)碳纖維，原絲采用NaSCN一步法，該廠的腈綸生產(chǎn)線是我國(guó)從國(guó)外最早引進(jìn)的，有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。吉林碳素廠是我國(guó)小絲束碳纖維生產(chǎn)基地，已向用戶提供50余噸小絲束碳纖維。目前，該廠正在建立新的小絲束碳纖維生產(chǎn)線，擴(kuò)大產(chǎn)量，以滿足市場(chǎng)需求。此外，山西榆次化纖廠是我國(guó)唯一用亞砜一步法生產(chǎn)PAN基原絲達(dá)數(shù)十年的單位，目前仍在生產(chǎn)。大連興科碳纖維有限公司已建成380噸/年生產(chǎn)線，是目前我國(guó)唯一實(shí)現(xiàn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，位居

12、大陸首位，并在世界排名第十一，據(jù)專家評(píng)價(jià)該公司實(shí)際擁有年產(chǎn)量800噸的生產(chǎn)能力，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。3.3存在問(wèn)題和差距一是國(guó)內(nèi)PAN碳纖維總生產(chǎn)能力較小，實(shí)際生產(chǎn)量?jī)H3040噸/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)的需要（約50006000噸），目前我國(guó)95%的碳纖維依靠進(jìn)口；二是與國(guó)際先進(jìn)水平相比，國(guó)產(chǎn)碳纖維強(qiáng)度低（僅相當(dāng)于東麗公司已基本決定淘汰的T300水平），均勻性、穩(wěn)定性差（強(qiáng)度、模量、線密度的CV值均為國(guó)外產(chǎn)品的一倍以上），毛絲多（斷頭率為國(guó)外產(chǎn)品的6倍），品種單一且價(jià)格昂貴（為國(guó)外產(chǎn)品的1.53倍），發(fā)展水平總體落后發(fā)到國(guó)家近2030年；三是廠家、裝置規(guī)模小，技術(shù)設(shè)備落

13、后，經(jīng)濟(jì)效益差。四、產(chǎn)業(yè)分析4.1世界碳纖維市場(chǎng)2003年以前碳纖維基本供大于求，屬于買方市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)工業(yè)用普通模量級(jí)12K碳纖維價(jià)格僅12美元/公斤，但到了2004年形勢(shì)突變，碳纖維一下子由買方市場(chǎng)變?yōu)橘u方市場(chǎng)，價(jià)格一路攀升，2005年翻了好幾倍，2006年更是處于有價(jià)無(wú)市的情況，這給碳纖維廠家?guī)?lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。從2004年開始全球碳纖維廠家興起了一輪擴(kuò)產(chǎn)熱潮。日本東麗集團(tuán)公司2004年4月陸續(xù)開始了一系列擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目，見(jiàn)表5。2004年4月12日宣布日本Ehime擴(kuò)產(chǎn)2200噸/年，2007年1月開始運(yùn)轉(zhuǎn)。2004年4月14日宣布法國(guó)Soficar擴(kuò)產(chǎn)800噸/年，2007年10月開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

14、2004年4月26日宣布美國(guó)CFA擴(kuò)產(chǎn)1800噸/年，2006年初開始生產(chǎn)。2008年還將分別在日本和美國(guó)各擴(kuò)產(chǎn)1800噸/年。2008年?yáng)|麗公司碳纖維產(chǎn)能將達(dá)到17500噸/年，差不多是2005的兩倍。計(jì)劃到2010年，東麗公司全球碳纖維市場(chǎng)的占有率要從2004年的34%提高到40%。2005年?yáng)|麗還和波音公司協(xié)議，今后17年內(nèi)東麗將提供29億美元的碳纖維(主要是T700給波音公司，用于B-787的生產(chǎn)。表5：東麗集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃 單位：噸地區(qū)20042005200620072008日本（Ehime）4700470047004700+22006900法國(guó)（Saficar）260026002

15、6002600+8003400+1800美國(guó)（CFA）180018001800+180036003600+1800總計(jì)91009100109001390017500日本帝人東邦集團(tuán)公司東邦集團(tuán)緊隨其后，從2004年8月開始進(jìn)行了一系列收購(gòu)和擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃：2004年8月31日宣布收購(gòu)美國(guó)Fortfil全部3500噸/年大絲束碳纖維生產(chǎn)線，將其改造成700噸/年小絲束，1700噸/年預(yù)氧化纖維，保留1300噸/年大絲束碳纖維。2006年4月15日東邦決定在日本Mishima投資大約1億美元(10.7 billion yen，擴(kuò)大碳纖維生產(chǎn)能力2700噸/年，到2008年4月完成。 2008年?yáng)|邦集團(tuán)碳

16、纖維產(chǎn)能11800噸/年，其中小絲束10500噸/年。大絲束1300噸/年?？偖a(chǎn)能仍居世界第二，見(jiàn)表6。表6：東邦集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃20042005200620072008日本RT3700RT3700RT3700RT37003700+2700德國(guó)RT1900RT1900RT1900+1500RT3400RT3400美國(guó)LT3500RT700RT700RT700RT700LT1300LT1300LT1300LT1300總計(jì)910076009100910011800RT5600RT6300RT7800RT7800RT10500LT3500LT1300LT1300LT1300LT1300日本三菱人造

17、絲集團(tuán)公司日本三菱集團(tuán)也加快了擴(kuò)產(chǎn)步伐，從2005年到2007年，3年內(nèi)碳纖維產(chǎn)能將增加72%，接近或趕上東邦的產(chǎn)能，見(jiàn)表7。2005年4月， 宣布增加日本生產(chǎn)線產(chǎn)能2200噸/年；20072008年完成。2005年l0月，宣布三菱和SGL結(jié)成碳纖維聯(lián)盟，三菱提供技術(shù)和原絲，在SGL蘇格蘭生產(chǎn)線生產(chǎn)碳纖維，2006年二季度開始生產(chǎn)，三菱的回報(bào)是500700噸/年碳纖維。2005年底計(jì)劃完成美國(guó)Grafil擴(kuò)產(chǎn)500噸/年的任務(wù)。2008年三菱集團(tuán)碳纖維產(chǎn)能將達(dá)到790081O0噸/年。由于三菱碳纖維此前尚未取得適航認(rèn)可，只能用于工業(yè)和體育休閑用品，公司努力爭(zhēng)取2005年取得Airbus A38

18、0認(rèn)可，使其碳纖維在宇航工業(yè)得到應(yīng)用。表7：三菱集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃20042005200620072008日本3200320032003200+22005400美國(guó)Grafil150015001500+50020002000歐洲SGL500700500700500700總計(jì)47004700550057007900810079008100此外，中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)塑集團(tuán)2005年5月24日宣布擴(kuò)大碳纖維產(chǎn)能，從1850噸/年增加到2950噸/年，2006年12月完成。美國(guó)Hexcel公司2005年11月16日宣布在西班牙馬德里附近建碳纖維廠，另外美國(guó)猶塔工廠也增加碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)能增加大約50%，即從22

19、70噸/年增加到3300噸/年，20062007年完成。目標(biāo)很明確，針對(duì)A380、A350和B787對(duì)碳纖維的大量需求。Zoltek公司2006年1月3日?qǐng)?bào)告，希望碳纖維產(chǎn)能從2006年的4080噸/年增加到2007年8620噸/年。從2004年l2月l6日開始和世界最大的風(fēng)能廠家Vistas等協(xié)議，為他們提供風(fēng)電葉片用大絲束碳纖維。美國(guó)Cytec公司準(zhǔn)備耗資超過(guò)l0億美元建立新的碳纖維生產(chǎn)線，目前在選址和設(shè)計(jì)選擇，計(jì)劃2009年開始工作。綜上所述，從2005年到2008年全球PAN基碳纖維產(chǎn)能將從34050 噸/年增加到61500噸/年，增長(zhǎng)80.6%，平均年增長(zhǎng)率20%，詳見(jiàn)表8。如此顯著

20、的增長(zhǎng)速度，將會(huì)對(duì)供需矛盾產(chǎn)生影響。表8：世界PAN基碳纖維名義能力單位：噸20042005200620072008Toray小絲束91009100109001390017500大絲束300300300300300Toho Tenax小絲束560063007800780010500大絲束35001300130013001300MRC小絲束4700520057007800810079008100Hexcel小絲束20002000230028003300Cytee小絲束18001800180018003800中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)塑小絲束185018501850295029500Zoltek大絲束230033

21、0065001110011100SGL大絲束19001900190019001900Technology大絲束10001000100010001000小計(jì)小絲束2505026250303503715045900大絲束90007800110001560015600總計(jì)3405034050413505257061500增長(zhǎng)百分?jǐn)?shù)021.40%27%16.60%根據(jù)表9和圖1、圖2對(duì)碳纖維產(chǎn)能和需求的預(yù)測(cè)分析可以看出，2005年全球碳纖維供小于求，按Chris Red的預(yù)測(cè)缺口約2000噸，Toray預(yù)測(cè)缺口近3000噸，中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)塑預(yù)測(cè)缺口也有約1000噸，這就是2005年碳纖維緊張的說(shuō)明。200

22、6年雖然碳纖維廠家紛紛擴(kuò)產(chǎn)，其供應(yīng)量應(yīng)較需求量大，但是擴(kuò)產(chǎn)部分要到2006年底或2007年初才能上市供應(yīng)，且超過(guò)部分有限，仍不能滿足用戶要求。因此2006年碳纖維供應(yīng)仍然緊張。2007年以后全球碳纖維產(chǎn)量將明顯增加，擴(kuò)量部分陸續(xù)上市，供應(yīng)量顯著超過(guò)需求量，供需矛盾得到緩解，緊張狀況將會(huì)所改變。表9：世界PAN基碳纖維的供需預(yù)測(cè) 單位：噸年代世界碳纖維產(chǎn)能預(yù)測(cè)（供）世界碳纖維需求預(yù)測(cè)名義產(chǎn)能實(shí)際產(chǎn)能Chris Red預(yù)測(cè)東麗預(yù)測(cè)東邦預(yù)測(cè)1按75%名義能力2按65%名義產(chǎn)能需求按實(shí)際產(chǎn)能1供需差額按實(shí)際產(chǎn)能2供需差額2004340502553822133219003637232220002005340502553822133240761461-1944250002082020064135031013268782650245103752405020075275039563342882920710355508030000267802008615004612539975322241390177513400030390200934510201037750圖1：Chris Red對(duì)世界碳纖維的供應(yīng)與需求分析圖2：中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)塑對(duì)世界碳纖維的供應(yīng)和需求分析4.2中國(guó)碳纖維市場(chǎng)（1）需求增長(zhǎng)快。我國(guó)碳纖維現(xiàn)階段絕大部分依賴進(jìn)口，2004