世界碳纖維市場及我國碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

世界碳纖維市場及我國碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2碳的供需國內(nèi)纖維具有高強度、高模量、耐候性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性和導(dǎo)致性。這是一種具有強碳材料抗拉性和纖維柔軟性的新材料。這是新一代的強纖維。它的密度不到鋼的1/4,但抗拉強度卻是鋼的7~9倍,抗拉彈性也高于鋼;與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比,楊氏模量(指表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量)是其3倍多;與凱芙拉纖維(K-49)相比,不僅楊氏模量是其2倍左右,而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性出類拔萃。正是由于兼具優(yōu)異性能,碳纖維在國防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。2008年,世界碳纖維消費量按地區(qū)分布為:歐洲占30%,北美占35%、日本占15%、世界其他地區(qū)占20%。美國、歐洲和日本是主要的消費地區(qū),但一些國家和地區(qū)如中國、中國臺灣、印度也在推動其需求的增長。據(jù)美國市場調(diào)研公司Lucintel統(tǒng)計,2008年碳纖維的產(chǎn)值為15億美元,其中體育用品和休閑設(shè)備約占整個碳纖維市場的18%~20%,其余則主要用于航空航天、商業(yè)以及工業(yè)等領(lǐng)域。Lucintel公司表示,全球碳纖維市值在2004~2008年的5年中一直以兩位數(shù)的速度增長,預(yù)計至2014年,產(chǎn)值有望達到24億美元。不過,體育用品和休閑設(shè)備在2007到2014年間的年均增長率將保持在3%左右。據(jù)相關(guān)部門預(yù)測,世界碳纖維需求每年將以大約13%的速度飛速增長,2010年,聚丙烯腈(PAN)基碳纖維的全球需求量將達5萬t,到2012年將達6萬t,預(yù)計到2018年需求量將達到10萬t。雖然2008年第3季度后世界經(jīng)濟發(fā)展面臨重重危機,但碳纖維的需求仍在升溫。有關(guān)專家預(yù)計,未來幾年全球碳纖維需求仍將以年均兩位數(shù)的增幅保持快速增長,市場供應(yīng)短缺至少將延續(xù)到2010年。短期看來,碳纖維會供不應(yīng)求,但到2012年,供應(yīng)可能會超過需求。世界碳纖維在幾個主要應(yīng)用領(lǐng)域的預(yù)計年需求量見表1。由于碳纖維生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜,至今全球規(guī)模企業(yè)不超過12家。其中領(lǐng)先的生產(chǎn)商有美國氰特工業(yè)公司(Cytec)、赫氏(Hexcel)公司以及日本的三菱麗陽、東邦、東麗等公司。7大碳纖維制造商(東麗、東邦、三菱麗陽、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek)已宣布計劃在未來3~5年內(nèi)擴產(chǎn)78%,總投資額為87970萬歐元(13億美元),見表2。短期看來,碳纖維會供不應(yīng)求,但到2012年,供應(yīng)可能會超過需求。瀝青基碳纖維在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的需求也在增長,特別是在環(huán)境相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開展引人注目,其市場規(guī)模約3000t,預(yù)計到2012年將擴大到4000t。瀝青基碳纖維根據(jù)瀝青的結(jié)晶狀態(tài),可分類為等方性和中間相2種,等方性的耐熱性、耐藥品性和滑動性優(yōu)異,中間相具有高強度、高模量等力學(xué)特性。除了大型的半導(dǎo)體晶片和太陽能發(fā)電系統(tǒng)硅基板制造爐用的需求急速增長以外,在PAN基碳纖維和CFRP的燒成爐,也作為必不可少的絕熱材料使用。3日本公司和法國工廠為了滿足對碳纖維的大量需求,碳纖維生產(chǎn)廠家相繼增設(shè)生產(chǎn)能力。以PAN基碳纖維為例,除世界最大的日本東麗公司將在日、美和法3個基地增加生產(chǎn)線外,東邦公司也在日本和德國建設(shè)新的生產(chǎn)線。碳纖維企業(yè)正以能源問題和環(huán)境問題為契機,努力擴大市場需求。2008年年初,東麗公司在日本本土提高了生產(chǎn)能力,并在2008年年底之前增強了在歐美的子公司的產(chǎn)能。另外,東麗于2009年7月,設(shè)置加工性優(yōu)異的特殊織物級的專用設(shè)備(1000t/a),這次擴大產(chǎn)能的投資額約710億日元,其目的是為了應(yīng)對今后航空機和產(chǎn)業(yè)用的需求增加,使集團的生產(chǎn)能力在2010年年末前擴大到2.5萬t/a,將其市場占有率由現(xiàn)在的34%提高到38%。東麗工業(yè)公司目前正在擴大其位于日本、美國和法國工廠的碳纖維生產(chǎn)能力,2009年總計將達18900t。該公司目前是波音公司碳纖維預(yù)浸材料的獨家供應(yīng)商,主要滿足航空航天工業(yè)需求,但也正在開發(fā)其他應(yīng)用,如汽車行業(yè)。日本帝人集團的東邦特納克斯公司投資107億日元,于2008年4月在日本本土的產(chǎn)能增加約6成,在德國的子公司TTE也于2009年8月擴大產(chǎn)能,其目標是強化收益能力。東邦公司產(chǎn)品供應(yīng)空中客車公司,2008年5月在日本三島建成了一個2700t/a的生產(chǎn)線,另一條1700t/a的產(chǎn)能于2009年8月在德國投產(chǎn),其總產(chǎn)能將達到13500t/a。東邦公司還計劃開發(fā)在汽車工業(yè)的應(yīng)用。三菱麗陽公司擁有顯著的原料優(yōu)勢,2007年在日本豐橋工廠投產(chǎn)了一條產(chǎn)能2200t/a的生產(chǎn)線,另外公司還在大竹廠新建一條2700t/a的生產(chǎn)線。這些新設(shè)施的投產(chǎn)使該公司的總產(chǎn)能將超過1萬t/a。大竹廠將在2009年年底投產(chǎn)。另外吳羽和日本石墨纖維這兩家以煤炭瀝青和石油瀝青為原料的瀝青基碳纖維生產(chǎn)企業(yè),也在2009年擴大產(chǎn)能。碳纖維企業(yè)正以能源問題和環(huán)境問題為契機,努力擴大市場需求。4碳纖維的生產(chǎn)由于碳纖維神秘的面紗尚未揭開,人們現(xiàn)在還不能直接用碳或石墨來制取,只能采用一些含碳的有機纖維(如尼龍絲、腈綸、人造絲等)為原料,將有機纖維跟塑料樹脂結(jié)合在一起碳化制得碳纖維。根據(jù)原料及生產(chǎn)方式不同,碳纖維主要分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維等。目前,世界碳纖維生產(chǎn)主要集中在日本、英國、美國、法國等少數(shù)發(fā)達國家。而我國目前主要依賴進口。4.1聚丙烯腈基碳纖維原料生產(chǎn)技術(shù)合作世界PAN基碳纖維的生產(chǎn),在1960年代起步,經(jīng)過1970~1980年代的穩(wěn)定,1990年代的飛速發(fā)展,到21世紀仍是擴大生產(chǎn)的快速發(fā)展期。目前,世界碳纖維年產(chǎn)量約4.8萬t/a,PAN基碳纖維約占各種碳纖維材料的80%以上,其中日本東麗、東邦和三菱人造絲3家公司占據(jù)了70%以上,其余主要的生產(chǎn)商還有中國臺灣的臺塑公司、美國的Hexcel、Cytec、Zoltek公司,德國的SGL公司以及韓國的泰光產(chǎn)業(yè)公司等。德國領(lǐng)先的碳基產(chǎn)品生產(chǎn)商SGL集團與奧地利纖維生產(chǎn)商Lenzing公司于2007年組建合資企業(yè),生產(chǎn)PAN基亞硝酸酯前身物,該前身物可用于生產(chǎn)復(fù)合材料碳纖維。這一合資企業(yè)按簡單的業(yè)務(wù)模式運作,Lenzing公司為丙烯酸纖維原材料提供技術(shù)訣竅,而SGL集團擁有碳纖維生產(chǎn)經(jīng)驗。雙方密切合作改進工藝過程和產(chǎn)品特性。碳纖維市場呈二位數(shù)速率增長,合資公司將保持和提高其競爭地位。4.2聚丙烯腈基碳纖維PAN基碳纖維的制造分為兩步進行,第一步是用PAN單體制造PAN原絲,類似于紡織用的PAN纖維的生產(chǎn)。第二步是原絲的預(yù)氧化和碳化,預(yù)氧化處理的目的是使PAN的線性分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu),使其在高溫碳化時不熔不燃,保持纖維形態(tài)。碳化過程是碳纖維形成的主要階段,除去了纖維中大量的氧、氮和其他元素。再經(jīng)表面處理、干燥上漿得到具有金屬光澤的PAN基碳纖維產(chǎn)品。PAN原絲的制備在整個碳纖維生產(chǎn)中至關(guān)重要,按紡絲方法可分為濕法、干法、干濕法和熔融法等,NaSCN、ZnCl2、HNO3、DMF(二甲基甲酸胺)、DMSO(二甲基亞砜)等,以DMSO為溶劑的制造工藝具有技術(shù)成熟、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、原料及能耗消耗低、三廢排放量少、經(jīng)濟效益好等明顯優(yōu)勢,是目前世界上PAN原絲生產(chǎn)主要采用的加工路線。碳纖維生產(chǎn)工藝流程長,技術(shù)關(guān)鍵點多,生產(chǎn)壁壘高,是多學(xué)科、多技術(shù)的集成,其中PAN原絲的生產(chǎn)技術(shù)更是難中之難,主要表現(xiàn)在PAN原絲的噴絲工藝、丙烯腈聚合工藝、丙烯腈與溶劑及引發(fā)劑的配比等。目前,世界碳纖維技術(shù)主要掌握在日本的東麗公司、三菱人造絲公司和東邦公司,這3家公司技術(shù)嚴格保密,生產(chǎn)的基本情況見表3。而美國赫克塞爾(Hexcel)、阿莫科(Amoco)和卓爾泰克(Zoltek)等公司及其他碳纖維企業(yè)均處于成長階段,生產(chǎn)工藝還正在不斷完善。中國石化上海石油化工股份有限公司2008年4月23日公布了一種以水相懸浮聚得PAN,再兩步法制造PAN原絲的方法(申請?zhí)?專利號為200610117242),因有效去除了源自引發(fā)體系的堿金屬雜質(zhì),故產(chǎn)品為高純化型。4.3國外碳纖維主要生產(chǎn)技術(shù)的進展近年來,國外對碳纖維技術(shù)開發(fā)研究集中在提高性能、降低成本方面。日本東麗公司根據(jù)先進復(fù)合材料市場發(fā)展的需求,已決定逐步淘汰T300類碳纖維,重點發(fā)展抗拉伸強度為4000~5000MPa、價格與T300基本相當?shù)奶祭w維品種,同時由于大絲束碳纖維性價比較高,也開始發(fā)展大絲束碳纖維,如最新開發(fā)的T600S、T700S、T700G等。在新工藝和新技術(shù)方面,美國為降低碳纖維價格,推出了低成本碳纖維研制計劃。OakRidge國家實驗室(ORNL)開發(fā)出一種新的高速氧化方法,即交聯(lián)PAN基碳纖維加工過程,使固有的獨特直鏈能夠經(jīng)受高溫加工過程;同時還開發(fā)了一種微波等離子體裝置,組合典型獨立和有序的碳化以及石墨化過程,簡化生產(chǎn)工藝,上述工藝可節(jié)省成本2.2美元/kg。三菱人造絲公司發(fā)明的新型碳化爐,可抑制碳化反應(yīng)生成的分解物附著和堆積于爐壁和纖維上,從而穩(wěn)定高效地生產(chǎn)高強高模的碳纖維。東麗公司則研制一種三葉形斷面的PAN原絲及碳纖維,可改進與樹脂的粘合性、抗壓縮強度和抗彎強度。此外,國外某些研究部門正試驗采用PAN外的其他原料作高性能碳纖維用原絲,包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等聚烯烴類高分子材料及木質(zhì)素等,或是通過改進現(xiàn)PAN原絲的工藝技術(shù),例如采用化學(xué)改性、輻照穩(wěn)定化處理等方法,來達到降低原絲生產(chǎn)成本的目的。碳纖維制品多用于特殊領(lǐng)域,其使用壽命和更新周期均有嚴格要求,大量廢棄的碳纖維產(chǎn)品急待處理。據(jù)日本三菱人造絲公司估計,目前全球廢棄的CFRP大約為1萬t,2010年可達2萬t。隨著CF生產(chǎn)能力的擴大及增強材料的大量使用,環(huán)境友好要求企業(yè)重視CF(碳纖維)的回收利用。發(fā)達國家已開始了這項工作:德國Thuringian(TITK)研究所開發(fā)的新工藝,不采用撕切處理就能從廢棄CF紡織品中獲取長度≥20mm,一般長度為30~70mm的碳纖維;西班牙INASMET運輸安全機構(gòu)經(jīng)過兩年的研究試驗,采用化解處理技術(shù)開發(fā)了CF-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料回收再利用的新途徑,其回收產(chǎn)品可用于一般的CFRP。日本東麗公司、帝人公司(日本東京)和三菱麗陽公司計劃聯(lián)手大規(guī)模生產(chǎn)循環(huán)碳纖維,以促進高強輕質(zhì)材料的回收利用。這3家企業(yè)共同掌握著全球碳纖維70%的市場份額,于2009年建立一個合資企業(yè),從飛機和其他設(shè)備中回收和循環(huán)利用使用過的碳纖維。他們還計劃邀請其他碳纖維制造商,如三菱塑料公司和吳羽公司來參與合作。該合資公司的風險是將回收工作外包給三井