PAN基碳纤维生产现状与市场.doc

PAN基碳纤维生产现状与市场2007年12月21日 纺织导报碳纤维(CF)做为二十一世纪的新材料，其高强度、高弹性模量和低比重性能，以及碳纤维增强复合材料（CFRP）在航空航天、产业用领域的迅速拓展受到了人们的普遍关注。预计未来68年间，碳纤维的产量将增长4倍以上，产能从目前的4.53万t/年上升至18.20万22.65万t/年。1 PAN基碳纤维的生产现状近年来，CF工业稳步发展，需求量迅速增长，价格攀升。预计2005年以来出现的这种供需不平衡将会持续23年，直至新的投资工厂运转从而弥补供需间的差距。为了满足市场的巨大需求，几乎所有低旦丝束（16K）的碳纤维生产商都投资了新的生产设备。在CF小丝束及正规丝束产品方面，预计2007年全球新增产能7 450 t，总产能达39 000 t；2008年还会继续增加产能9 550 t。其中，日本东丽公司的投资最大，约占全球新增产能的37%；东邦公司占24%。日本三家公司CF小丝束及正规丝束的产量占全球产量的77%，美国占12%，台湾地区的台塑占11%。这些地区的CF生产厂家都有自己配套的PAN原丝生产装置，确保了CF产品的品质稳定，控制了生产成本。航空航天产业的发展及空中客车与波音公司的业务需要促进了3K与6K碳纤维产能的迅速扩展。关于24K以上大丝束CF的生产，日本东邦Tenax公司将两条80K的生产线改造后用于生产24K小丝束；美国Zoltek公司在风能透平叶片等产业用方面也取得了发展；近来，日本三菱人造丝SGL公司与具有PAN生产经验的奥地利Lenzing公司合作，计划建设3条碳纤维生产线。在24K以上大丝束CF的产能中，美国占66%，欧洲占34%。目前全球PAN-CF生产厂家及产能分布如表1所示。表1 2007/08年度全球PAN-CF生产厂家及产能分布 t生产能力2007年2008年新增产能原产能总产能新增产能原产能总产能小丝束正规丝束1K3K6K12K24K东丽Toray本土2200690013900400730017900法Soficar800340018005200美CFA0360018005400东邦Toho本土0370091002700640011800德0340003400美0200002000三菱本土220054007900054007900美Grafil0200002000欧洲SGL5005000500 台塑 台湾地区110029502950220051505150美Hexcel美65032503250032503900西班牙00650650美Cytec019001900019001900小计745039000950048550产量系数0.72730033985大丝束48K80K320K美Zoltek欧洲2000600085002000800010500美0250002500美Carbon Fiber TechAldila/SGL.J.V010001000010001000欧洲SGL020002000400060006000小计200011500600017500产量系数0.7805012250小丝束大丝束总计 产量系数0.735350462352 PAN基碳纤维在各领域的应用2006年全球CF市场需求在2.8万t左右，预计2010年可达4.5万t，年平均增长率在13%左右，其中北美与欧洲地区增长较快，年均增长率达到14%15%，而亚洲地区仅为6%9%；另外，有数据显示，2010年欧洲地区的CF消费量将占全球总产量的35%，北美地区占31%，而亚洲地区仅消费19%。2.1 航空领域航空航天领域的CF需求量增加明显，2010年将占CF消费总量的22%，年均增长率达20%，这主要源于波音和欧洲空客公司日益增长的业务。据悉，波音公司近十年将有10 000架次的市场，未来20年全球将需要25 000架大型飞机，总价值约2万亿美元。大型民用客机，波音B757、B767以及将于2008年投入运营的B787和空客A380的主翼及机仓已确定使用东丽公司高强度、低成本的T700S（T700G）。表2为东丽公司用于大型客机的CF性能。表2 日本东丽公司航空用CF技术特征CF型号规格抗拉强力（Mpa）抗拉摸量（Gpa）类别T3001K 3K 6K 12K3530230标准抗拉摸量T300T3K 6K 12K4210230T400H3K 6K4410250T700G12K 24K4900240T800H6K 12K5490294中等抗拉摸量T800S24K5880294T1000G12K6370294美国佛罗里达技术研究所开发了一种无人飞行器(Pilot-free plane)，可在5 000m高空飞行，也可浮于水面或下潜到水下以11km/h的速度航行。该项开发有望在2009年进行商业实验，而CFRP材料的使用使该项大胆构思成为可能。2.2 产业用方面在过去的五年中，CF产业用取得了巨大进展，预计2010年产业用市场将占CF消费总量的65%左右，年均增长率达13%15%。国内外的许多项目已显示出产业用领域巨大的市场潜力，诸如风能发电、压力容器、土木工程、水面运输船艇、燃料电池、航海与石油开发等，目前这一领域对CF增强材料的需求量大约为5 0007 000 t。（1）高级电子器件及壳体 CF增强材料质轻、刚性强，特别是其优越的导电性和电磁屏蔽效应，适宜制作高级电子器具，诸如笔记本电脑、投影仪、便携式电话等的壳体，较镁铝合金更为消费者青睐。德国Die Wethje 公司使用CFRP替代照相机CFK部件，使相机重量降低了950g，大大提高了移动拍摄中的防抖动能力。（2）轿车及专用车辆 耐冲击性能和质轻是高级轿车和F1比赛用车追求的目标。车体重量的减轻可以提高汽车的安全性能，降低CO2的排放量，同时车体的空气动力学性能亦得到优化。英国Kahm公司使用CFRP制得的RX-X型高级轿车专用车轮，重量仅为6kg，可高速行驶，并可最大限度地降低车轮的径向惯性力。 目前，东丽公司CFRP已被三菱汽车、日产汽车等汽车生产商应用于高级轿车及赛车。美国Zoltek公司与德国BMW公司合作，拟将CFRP用于BMW公司的高级轿车。（3）风能发电与叶片材料 风能发电成本低廉，已成为人类开发新能源的重要领域。预计未来五年，风能发电的市场需求将以每年15%20%的速度增长。 近年来，虽然风力发电产业发展很快，但风力发电装备的关键部件（叶片）多使用玻璃纤维增强材料（GFRP）制造，难于满足叶片尺寸加大对刚性的要求。CFRP材料在叶片上的应用，无疑将促进风能发电产业的发展。（4）压力容器、燃料电池、土木工程及建筑防震增强材料 制造燃料汽车、燃料贮罐等需要高强度材质，而采用CFRP可以在满足该要求的条件下实现压力容器的轻量化。 随着环保汽车（Eco-car）的开发，以氢为燃料的燃料电池汽车使用CFRP材料制作燃料贮罐已为市场所接受。依据日本能源厅燃料电池研讨会信息，2020年日本将有500万台汽车使用燃料电池。美国福特汽车Hummer H2H越野车也开始使用氢燃料电池，预计2010年氢燃料电池汽车将会达到一定的市场规模。建筑物在计划变更其使用功能、而楼层负荷不能达到标准要求的情况下，可以采用CF制品进行防震补强处理，施工十分方便。2.3 运动及休闲器材PAN基碳纤维生产现状与市场2007年12月21日 纺织导报运动及休闲器材是CFRP应用历史相对较长的领域，目前，全球体育与休闲产品CF的消费市场已趋于饱含，所占市场份额有所减少，预计2010年达14%，年均增长率为5%左右。即便如此，CF的应用范围仍有扩大趋势，如澳大利亚开发的CFRP轮椅，英国人使用的CFRP滑行轮板，美国Henk公司在旅行箱中装配的CFRP轮子等，受到了消费者的欢迎。近年来开发的新产品诸如专用自行车、商用船艇等也获得了可喜进展。（1）高级自行车及登山车 自行车是人们日常生活的必须用品。目前，全球的自行车中，高级自行车和特别用途登山车约占5%，成为CFRP民用的一个重要方面。 高级自行车的车构架、前叉部件、车轮、曲轴、以及座位支架等均可使用CFRP材料，比例可达30%40%。CFRP赋予了车体良好的刚性和减震性能，同时可实现轻质化，市场需求稳定。Trek公司的一款SSL型自行车采用克重为55g/m2的碳纤维制品制成的车架重量仅为950g；法国Salomen SA 采用100%CFRP材料加工自行车轮，生产周期短，制造成本低。 （2）商用船艇 CFRP材料已进入商用船只制造业，在救生艇、巡逻艇及休闲游艇等方面吸引了众多消费者的注意。使用CFRP可降低艇体重量，延长使用寿命，节约能源，降低游艇的运营成本。 大型港口内的业务运营中，选择使用CFRP巡逻艇可降低船体重量，提高船的可操作性，对提高港口运营效率十分明显，这已在挪威港口运营中得以验证，其CFRP客运船已投入商业化运作。3 我国碳纤维行业的发展状况与道路3.1 我国碳纤维行业的发展状况我国PAN基碳纤维的研究与开发始于20世纪60年代初，“九五”以来，我国碳纤维的发展经历了规模不大的技术引进及碳纤维民用制品领域的拓展，在生产规模及产品应用方面取得了一定的进步。一些高等院校，如北京化工大学、安徽大学、中山大学等也相继开展了CF研究。但就碳纤维行业来说，还存在着很多问题，如原丝品质低下，CF性能指标与国外差距大且不稳定，小型试验性生产及CF制造成本高昂，技术上还不具备规模化生产水平等。 依据中石化吉化研究院的信息，2006年我国主要PAN基碳纤维生产厂家约12家，产能约1 310 t/年，但设备运转率很低，实际产量只有40余吨/年（1K12K）。随着全球CF市场及需求量的普遍看涨，国内还有十几家在建或拟建的CF项目，产能在1 4001 600 t/年左右。 2000年国内CF的消耗量大约为1 200 t，2002年达到2 000 t，2005年超过5 400 t。预计我国CF的市场需求量会以每年9%11%的速度增长，2010年国内CF的消费总量有望达到7 500 t。 国内碳纤维及其增强材料的使用面很窄，应用研究和开发水平还很低。目前主要应用于运动与休闲领域，诸如高尔夫球杆、垂钓用具、网球拍、自行车构架等；产业用方面仅在纺织配件、建筑工程中少量使用。 近年来，我国航空航天产业发展迅速，预计2020年国内航线需新增干线大型飞机1 600架，价值约1500亿1800亿美元；到2050年将更新干线大型飞机3 000架，总价值约3 500亿4 000亿美元。2007年，中航公司预测：未来10年内，国内支线客机还有900架的市场。大型民用飞机国产化已定为国家任务，这给我国碳纤维及其增强材料的发展提供了机遇。3.2 我国碳纤维行业的发展道路 碳纤维及其增强材料的发展需要高素质人才和长期稳定的研究与开发经验，需要资金的持续投入。东丽公司碳纤维的技术发展历程表明没有别的捷径可走。 目前，我国研究院所与企业在碳纤维原丝制备、纤维成型及应用领域方面虽然有所研究，但研究人员的素质及工作条件不尽人意。企业大多只关心效益，见效快的经营观念与碳纤维技术的研发规律难于协调，投资环境的改善仍有很长的路要走。因此，采取国家投资扶持碳纤维产业发展的方式，花五年甚至更长时间使我国碳纤维产业初具规模，然后再实施企业化的做法显得更实际，更能兼顾发展与国内需求的现状。只有当我国的碳纤维产业具有较扎实的基础，有一支相对稳定的研发队伍时，才能实现高新技术的引进及创新。（1）扶持建设研究/开发型碳纤维产业我国化纤企业正面临着转变经济增长方式的现实压力，技术开发与创新环境较差。目前扶持碳纤维产业最好选择有碳纤维研究经验的科研院所，以此为基础更利于建成研究/开发型企业。（2）原丝制备和CF生产一体化。原丝品质直接影响CF性能的稳定性以及企业对碳纤维品质和生产成本的控制。国外一些知名的碳纤维公司，如东丽、东邦和三菱人造丝公司等均拥有自己配套的原丝生产装置；我国PAN基碳纤维在原丝制备方面拥有多种工艺和生产实践经验，可供选择的空间较大。最近有信息透露，原美国杜邦公司专家Kenneth Wilkinson 先生开发了新的PAN-CF工艺，该工艺使用了专门的催化剂与添加剂，促进了碳化交链和取向过程，使氧化时间缩短了1/31/5，大大降低了纤维的制造成本。我国引进杜邦PAN纤维（奥纶）生产技术已经多年，具有改进国内PAN-CF原丝品质的有利条件，值得探索。（3）重视CF及其制品回收再利用CF制品多用于特殊领域，其使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的CF产品急待处理。据日本三菱人造丝公司估计，目前全球废弃的CFRP大约为1万 t，2010年可达2万 t。随着CF生产能力的扩大及增强材料的大量使用，环境友好要求企业重视CF的回收利用。发达国家已开始了这项工作：德国Thuringian （TITK）研究所开发的新工艺，不采用撕切处理就能从废弃CF纺织品中获取长度20mm，一般长度为3070mm的碳纤维；西班牙INASMET运输安全机构经过两年的研究试验，采用化学和热解处理技术开发了CF-环氧树酯复合材料回收再利用的新途径，其回收产品可用于一般的CFRP。4 结语 近年来，国际碳纤维市场发展迅速，需求量的不断增长给我国碳纤维行业的发展提供了难得的机遇。但我国碳纤维行业基础薄弱，产业发展需要技术、人才和资金的持续投入，而且其应用领域对产品品质的要求非常严格。客观地说，企业应量力而行，行业也应发出明确的信息，引导企业正确投资，使我国碳纤维产业快速健康地发展。参考文献, 1 Michael D Cole.Explosive Demand for Carbon Fi