碳纖維的生產(chǎn)與應(yīng)用

碳纖維的生產(chǎn)與應(yīng)用

纖維是一種具有高貴高標(biāo)準(zhǔn)、耐高低溫、耐疲勞、耐濕性強(qiáng)、密度小、離散、電鉻、熱脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)的新型纖維。它不僅可以作為結(jié)構(gòu)材料的負(fù)荷，也可以作為功能材料的作用。因此,碳纖維不僅應(yīng)用于航空航天和國(guó)防科技方面,在文體用品、紡織機(jī)械、醫(yī)療器械、生物工程、建筑材料、化工機(jī)械、運(yùn)輸車輛等方面也得到日益廣泛的應(yīng)用。此外,不使用潤(rùn)滑油的軸承、齒輪、軸瓦、轉(zhuǎn)軸、提升輪等運(yùn)動(dòng)頻繁、負(fù)荷大的零件方面有很好的應(yīng)用前景。碳纖維可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛樹脂基碳纖維、聚酰亞胺基碳纖維、其他有機(jī)纖維基碳纖維等。目前,主要以PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維為主。1關(guān)于碳生產(chǎn)1.1小絲束碳纖維的生產(chǎn)特點(diǎn)PAN纖維被認(rèn)為是制造碳纖維的最重要的原絲,PAN基碳纖維不論質(zhì)量還是產(chǎn)量都占世界主導(dǎo)地位。世界上PAN基碳纖維的生產(chǎn),在20世紀(jì)60年代起步,發(fā)展迅速,現(xiàn)已分化為以美國(guó)為代表的大絲束碳纖維生產(chǎn)和以日本為代表的小絲束生產(chǎn)兩大類,大絲束的生產(chǎn)對(duì)前驅(qū)體要求較低,產(chǎn)品成本低,非常適合一般民用工業(yè)領(lǐng)域,因而產(chǎn)能利用率較高達(dá)90%。而小絲束的生產(chǎn)追求高性能化,代表世界碳纖維發(fā)展的先進(jìn)水平,產(chǎn)品處于開發(fā)期,產(chǎn)能利用率較低,約70%。世界PAN基碳纖維生產(chǎn)廠商主要有日本東麗(Toray)、東邦(Tenax)、三菱人造絲(MitsubishiRayon),美國(guó)赫氏(HexTow)、阿莫科(Amoco)和卓爾泰克(Zoltek)等公司,世界主要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)能力情況見表1。在小絲束碳纖維方面,Toray,Tenax,中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)塑集團(tuán)和MitsubishiRayon等4家公司的生產(chǎn)能力約占世界總生產(chǎn)能力的75%,其中臺(tái)塑是近年發(fā)展較快的企業(yè),在2009年其生產(chǎn)能力僅為6.150kt/a,在2011年生產(chǎn)能力達(dá)到8.75kt/a。大絲束方面卓爾泰克集團(tuán)、德國(guó)SGL集團(tuán)具有明顯優(yōu)勢(shì),卓爾泰克集團(tuán)還計(jì)劃將其生產(chǎn)能力翻一番,2012年SGL集團(tuán)生產(chǎn)能力增長(zhǎng)為7.5kt/a。1.2碳纖維生產(chǎn)企業(yè)我國(guó)從20世紀(jì)60年代后期開始研制碳纖維及原絲,但發(fā)展較為緩慢。目前,我國(guó)已經(jīng)研制出接近日本東麗公司T-300水平的碳纖維產(chǎn)品,但產(chǎn)量和品質(zhì)都遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)需求。目前,國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有20余家,生產(chǎn)能力約8.5kt/a,見表2。多數(shù)碳纖維企業(yè)存在生產(chǎn)規(guī)模小,技術(shù)設(shè)備落后,實(shí)際產(chǎn)量不足2kt。而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求量每年都以15%的速度遞增,國(guó)內(nèi)產(chǎn)量根本無法滿足需求,90%以上依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)還處于相對(duì)較低的水平,沒有形成規(guī)模,碳纖維的需求與生產(chǎn)供應(yīng)之間脫節(jié)。為使我國(guó)的碳纖維產(chǎn)業(yè)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,必須提高PAN原絲質(zhì)量、提升技術(shù)含量,擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。2消費(fèi)狀況2.1碳纖維在航天和國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用前景展望碳纖維是軍民兩用新材料,屬于技術(shù)密集型的關(guān)鍵材料。碳纖維的消費(fèi)主要在北美、歐洲和亞洲(日本)。2011年,歐洲碳纖維消費(fèi)量占世界總量的33%,北美占33%,日本占18%,其他地區(qū)占16%。世界碳纖維在各領(lǐng)域的需求預(yù)測(cè)見表3。從表3可以看出,航空航天和國(guó)防是碳纖維最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。到2015年航空航天和國(guó)防用碳纖維比2011年增長(zhǎng)約87%達(dá)到13.1kt,而到2020年將達(dá)到19.7kt,為2011年的281%,其中噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)增長(zhǎng)最快。碳纖維復(fù)合材料在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)更多的應(yīng)用趨勢(shì),在今后飛機(jī)設(shè)計(jì)使用中將成為主要的結(jié)構(gòu)材料如噴氣飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪等發(fā)熱結(jié)構(gòu),將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用前景。另外,世界民用飛機(jī)碳纖維用量在擴(kuò)大,國(guó)外民用飛機(jī)碳纖維用量和軍用飛機(jī)碳纖維用量比接近9∶1,空間和發(fā)射的碳纖維用量與民用飛機(jī)碳纖維用量比約為1∶10。工業(yè)用途是碳纖維最大的應(yīng)用領(lǐng)域,也是最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,風(fēng)能用碳纖維需求量最大,2011年占全部工業(yè)碳纖維用量的40%以上,預(yù)計(jì)在2015年占到工業(yè)用的55%。另外碳纖維在壓力容器、油氣開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)不斷擴(kuò)大,用量將會(huì)高速成倍增長(zhǎng),到2020年的需求量將會(huì)是2011年的7~8倍。另外,碳纖維還用于體育休閑領(lǐng)域,主要用于高端體育用品,消費(fèi)需求的增長(zhǎng)較慢,也使碳纖維在該領(lǐng)域中增長(zhǎng)較慢,但預(yù)計(jì)也將會(huì)有44%的增長(zhǎng)。2.2文創(chuàng)休閑產(chǎn)品盡管多年來我國(guó)的碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢,但消費(fèi)量卻與日俱增,隨著市場(chǎng)需求的增加,特別是國(guó)防、軍工、航空航天、體育用品等方面需求的增長(zhǎng),我國(guó)每年從國(guó)外進(jìn)口的碳纖維越來越多。目前我國(guó)碳纖維消費(fèi)量約90%依賴進(jìn)口,且下游消費(fèi)領(lǐng)域以文體休閑產(chǎn)品和工業(yè)應(yīng)用為主。碳纖維在文體休閑制品領(lǐng)域主要用于制造漁具、游艇、高爾夫球桿、網(wǎng)球、羽毛球拍、滑雪板、箭桿、自行車等。2010年我國(guó)碳纖維及制品進(jìn)口量為10.966kt,體育休閑占進(jìn)口量的64.5%,工業(yè)領(lǐng)域占進(jìn)口量的20.9%,而航空航天只占進(jìn)口量的0.6%,其他占進(jìn)口量的14%,增幅較大的是風(fēng)力發(fā)電葉片、氣瓶、船艇、機(jī)械配件等。目前,我國(guó)文體休閑制品的碳纖維消費(fèi)市場(chǎng)已經(jīng)趨于飽和,許多產(chǎn)品以進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)為主,未來發(fā)展速度將有所減緩;相反工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用將增加較快,特別是在混凝土結(jié)構(gòu)物的補(bǔ)強(qiáng)、飛機(jī)制造、民用汽車和風(fēng)力發(fā)電等方面,未來市場(chǎng)的發(fā)展前景較好,預(yù)計(jì)到2015年我國(guó)碳纖維需求量約13.5kt,其中文體休閑用品消費(fèi)比例下降為33%,而工業(yè)應(yīng)用則上升為67%。3國(guó)內(nèi)碳纖維研究合作我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料生產(chǎn)仍處于起步階段,目前尚未完整掌握的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù),與國(guó)外相比,我國(guó)碳纖維在質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模等方面均與國(guó)外存在很大差距。絕大部分高性能增強(qiáng)材料都長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,價(jià)格非常昂貴,極大地制約了我國(guó)碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。2007年,中國(guó)石化基于國(guó)家的戰(zhàn)略需求和上海石化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求,確定上海石化作為中國(guó)石化碳纖維生產(chǎn)研發(fā)基地,大力開展碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)。上海石化與多家科研院校開展合作,高起點(diǎn)構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新的碳纖維產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟。2010年上半年開始,上海石化還與多家國(guó)內(nèi)高校和科研單位合作研究開發(fā)高性能碳纖維(T-800),現(xiàn)正按計(jì)劃有序推進(jìn),力爭(zhēng)在2013年底完成高性能碳纖維的開發(fā)任務(wù)。除利用中國(guó)石化系統(tǒng)內(nèi)的研發(fā)力量外,與復(fù)旦大學(xué)合作,進(jìn)行聚合物鏈結(jié)構(gòu)和聚合機(jī)理研究;與北京化工大學(xué)合作進(jìn)行氧化、炭化工藝的研究。此外,從產(chǎn)業(yè)鏈的中長(zhǎng)期發(fā)展著眼,還開展碳纖維關(guān)鍵新技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)及應(yīng)用等方面的研究:與東華大學(xué)合作開發(fā)碳纖維干噴濕紡技術(shù)和中試裝置;與中國(guó)紡織科學(xué)研究院合作開發(fā)T-800級(jí)碳纖維必須的高倍蒸汽拉伸設(shè)備;與中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)所合作開發(fā)碳纖維上漿劑;與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作開發(fā)土木工程用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)等。上海石化依托具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的NaSCN法腈綸生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),開發(fā)NaSCN法碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù),形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和特色的碳纖維技術(shù)。2008年,上海石化投資4000多萬元建設(shè)了0.2kt/aPAN基碳纖維原絲中試裝置,同年試車產(chǎn)出12K碳纖維原絲,產(chǎn)品經(jīng)氧化炭化后,達(dá)到T-300水平。從2009年開始,上海石化緊緊依托原絲中試裝置,不斷完善和深化碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)。2010年3月,上海石化開發(fā)形成了T-300千噸級(jí)原絲工藝軟件包和千噸級(jí)碳纖維工業(yè)化裝置成套技術(shù),通過了中國(guó)石化組織的鑒定。2010年12月開工建設(shè)了年產(chǎn)1.5ktT-300碳纖維的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目,2012年一階段0.5kt/a建成投產(chǎn)。4中國(guó)碳結(jié)合計(jì)劃外發(fā)展的建議4.1產(chǎn)品研發(fā)機(jī)構(gòu)分散,自主研發(fā)隊(duì)伍薄弱。在研發(fā)目前我國(guó)碳纖維存在的主要問題一是國(guó)家對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展缺乏整體規(guī)劃,導(dǎo)致一方面總體投入不足,另一方面則是重復(fù)投資、多頭投資嚴(yán)重,沒有形成產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合力;二是研發(fā)單位分散,隸屬關(guān)系復(fù)雜,沒有真正形成聯(lián)合開發(fā)、協(xié)同攻關(guān)的國(guó)家級(jí)隊(duì)伍。因此,建議國(guó)家有關(guān)部門針對(duì)我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)學(xué)研合作攻關(guān)過程中存在的問題,盡快制訂碳纖維及其復(fù)合材料等戰(zhàn)略性新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的整體規(guī)劃,特別是要重視對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料的基礎(chǔ)科學(xué)、工程技術(shù)、大型裝備和應(yīng)用領(lǐng)域等研究工作,整體推進(jìn)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。4.2建立碳纖維復(fù)合材料材料制造技術(shù)體系加強(qiáng)以企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè),促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作,政府可以發(fā)揮積極作用。一方面要以有實(shí)力、有基礎(chǔ)的大型企業(yè)為依托,建立健全碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系,鼓勵(lì)有條件的高校、科研院所參與碳纖維、碳纖維復(fù)合材料及其下游產(chǎn)品的基礎(chǔ)理論研究和科技成果產(chǎn)業(yè)化工作,解決我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后的關(guān)鍵問題,促進(jìn)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展;另一方面進(jìn)一步加大政府性資金和政策對(duì)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系的支持力度,鼓勵(lì)企業(yè)建立研發(fā)機(jī)構(gòu)和研發(fā)隊(duì)伍,在人才引進(jìn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、社會(huì)研發(fā)資源配置和稅收政策等方面給予支持,凝聚全社會(huì)力量,推進(jìn)碳纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)基地的建立。4.3發(fā)展碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)是一個(gè)涉及多學(xué)科、多行業(yè)、多種市場(chǎng)主體的產(chǎn)業(yè),具有產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、生產(chǎn)過程復(fù)雜、技術(shù)難度大、行業(yè)領(lǐng)域跨度大等特點(diǎn),這就要求我們要以國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略為導(dǎo)向,以市場(chǎng)為紐帶,以技術(shù)、資本和財(cái)稅政策等多種方式,實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)資源共享、原料互供、產(chǎn)業(yè)配套、協(xié)調(diào)發(fā)展,形成上下游緊密結(jié)合的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)群,促進(jìn)我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。建議以大型碳纖維研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)為源頭,根據(jù)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域,組建區(qū)域內(nèi)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟,特別是在碳纖維、碳纖維復(fù)合材料、航空航天、汽車、船舶、新能源制造業(yè)、石油勘探、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)、電磁屏蔽、體育用品等領(lǐng)域培育優(yōu)勢(shì)企業(yè),形成上下游緊密結(jié)合的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的群體(條件成熟的可以以資產(chǎn)為紐帶強(qiáng)化合作,如日本東麗公司與戴姆勒-克雷斯勒成立合作公司,生產(chǎn)汽車用碳纖維復(fù)合材料部件),以實(shí)現(xiàn)資源配置的最優(yōu)化,提升碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。4.4建立碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量監(jiān)管體系現(xiàn)在國(guó)內(nèi)不少企業(yè)能夠生產(chǎn)相當(dāng)于T-300的碳纖維,有的已開發(fā)相當(dāng)于T-700甚至T-800的碳纖維產(chǎn)品,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)大都存在質(zhì)量問題,嚴(yán)重影響了碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用。據(jù)了解,我國(guó)目前碳纖維產(chǎn)品與國(guó)外同類產(chǎn)品的差距在于質(zhì)量穩(wěn)定性差,我國(guó)還沒有解決碳纖維穩(wěn)定生產(chǎn)的問題;還沒有形成對(duì)碳纖維、碳纖維復(fù)合材料及其下游產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管體系和制度,沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品評(píng)價(jià),也沒有權(quán)威機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)質(zhì)量監(jiān)管、質(zhì)量評(píng)價(jià)和產(chǎn)品認(rèn)證工作,這不利于我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。對(duì)此,建議設(shè)立國(guó)家級(jí)或地區(qū)性的碳纖維及其復(fù)合材料評(píng)價(jià)、認(rèn)證機(jī)構(gòu),其主要職責(zé)是建立健全碳纖維、碳纖維復(fù)合材料及其下游產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管體系和相關(guān)制度,建立國(guó)家級(jí)碳纖