碳纤维的产业现状及发展

1、碳纤维的产业现状及开展论文关键词：碳纤维工艺技术供需情况开展论文摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子构造界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9以上。一、碳纤维的性能1.1分类根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈pan基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，pan碳纤维市场用量最大；按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维；按用处可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1k、3k、6k1k为1000根长丝为主，逐渐开展为12k和24k，大丝束为48k以上，包括60k、120k、360k和480k等。

2、1.2性能碳纤维的主要性能：(1)密度孝质量轻，密度为1.52克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复l00%；(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)导电性好，25。时高模量纤维为775/，高强度纤维为1500/；(5)耐高温和低温性好，在3000。非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下照旧很柔软，也不脆化；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。通常，碳纤维不

3、单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。1.3应用领域由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、根底设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、别离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。二、消费工艺通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体原丝预氧化丝碳纤维。碳纤

4、维的品质取决于原丝，其消费工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(pan)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。2.1干喷湿纺法干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进展双扩散、相别离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，外表平滑无沟槽，且可实现高速纺丝，用于消费高性能、高质量的碳纤维原丝。干喷湿纺装置常为立式喷丝机，从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段)后进入凝固浴，完成干喷湿纺过程；再经导向辊、离浴辊引出的丝条经后处理得到pan纤维。分

5、开喷丝板后的纺丝液细流先经过空气层(干段)再进入凝固浴，干段很短，但对凝固相别离和成纤构造有着重大影响，在空气层，挤出的纺丝液细流中的溶剂急速蒸发，外表形成了薄薄致密层，细流进入凝固浴后可抑制双扩散速度；由于在喷丝板出口处产生膨胀效应，靠细流自身的重力以及牵伸力向下流动，然后经干喷湿纺的正牵伸可使胀大局部被牵伸变细后进入凝固浴；凝固浴采用低溶剂质量分数配比和低温凝固，低溶剂质量分数配比可加大溶剂与细流之间的质量分数差，加速扩散；低温可抑制扩散速度，利于沉淀构造致密化、均质化，最终纺出的原丝和所制碳纤维外表较平滑而无沟槽。与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯构造的原丝，大幅进步了纤维

6、的抗拉强度，可消费细特化和均质化的高性能碳纤维。2.2射频法pan原丝经过预氧化(200350。，射频负压软等离子法)、碳化(8001200。，微波加热法)到石墨化(24002600。，射频加热法)，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中到达纤维定型、碳元素富集，分子构造从聚丙烯腈高分子构造乱层的石墨构造三维有序的石墨构造。国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化消费工艺开拓了碳纤维消费的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化pan原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。三、碳纤维的开展3.1国外开展以pan碳纤维为例，该纤维国际上研发已有30年左右，目前

7、世界碳纤维的消费才能在3.43.8万吨左右，主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数兴旺国家和我国台湾剩日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司东丽、东邦以及三菱人造丝公司依靠其先进的纺丝科学技术，形成了高性能原丝消费的优势，大量消费高性能碳纤维，使日本成为碳纤维大国，无论质量还是数量上都处于世界前三位，三大集团占据了世界75%以上的产量。3.2国内开展我国聚丙烯腈基碳纤维的研究开发始于20世纪60年代，当时由于碳纤维作为重要的军工产品，国外对我国进展严格技术封锁，使得当时我国聚丙烯腈基碳纤维根本上以自主研究开发为主。1976年中科院山西煤化所建成第一条聚丙烯腈基碳纤维中试消费线，消费出高强i型

8、碳纤维，其产品性能根本到达日本东丽公司的t200。继而从“六五开场试制高强型碳纤维(相当于t300)，但到目前为止产品性能指标仍未到达t300标准。吉林石化公司在采用硝酸一步法消费原丝的根底上，研究开发出性能根本接近t300的碳纤维，但该法对环境污染较大，因此现已放弃。由于种种原因我国碳纤维开展缓慢，表现为消费规模孝产品质量不稳定、产品规格少、品种单一、没有高性能产品、技术设备落后，大多没有形成规模效益，这些成为制约我国碳纤维开展的瓶颈。近些年来，随着我国整体实力的不断提升，对碳纤维的需求量也与日俱增，而我国碳纤维现阶段大局部依赖进口，2022年全国碳纤维用量为4000吨，国内实际产量仅为1多

9、吨，而且无论是质量还是规模与国外相比差距都很大。另据估测2022年我国碳纤维需求将到达7500吨，这说明我国碳纤维严重供不应求。尽管目前国际社会碳纤维的制造技术与产品对华出口有所松动，通用级碳纤维进口渠道已经开通，但高性能碳纤维对我国仍然限制。近年来，由于我国对碳纤维需求的日益增加，聚丙烯腈基碳纤维又成为国内新材料业研发的热点，如上海石化公司准备采用nasn一步法消费数千吨pan基原丝。上海星楼实业拟建立400吨/年大丝束碳纤维消费线，上海市合纤所采用亚砜两步法研制和小批量消费pan基原丝以及碳纤维，上海碳素厂也有小型碳化线及碳纤维下游产品。安徽华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)建立500吨/年

10、pan原丝和200吨/年碳纤维消费线，其pan原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进，产品以12k的t300级碳纤维为主，并准备引进成熟的预浸料消费线。广西桂林市化纤总厂拟建200吨/年碳纤维消费线，产品为3-12k的小丝束碳纤维。山东天泰碳纤维有限责任公司将建立400吨/年消费线，碳纤维性能为t300级程度，产品以12k为主。青岛化工学院高分子工程材料研究所(恒晨公司)将建立50吨/年左右的碳纤维消费线。江苏扬州与中国科学院山西煤炭研究所也方案合作建立高性能聚丙烯腈原丝和碳纤维的消费中试基地。吉林石化公司放弃了以前采用硝酸一步法消费原丝的技术，与北京化工大学合作承当了国家“九五科技攻关工程，共同

11、研究开发二甲基亚砜法高性能聚丙烯腈原丝消费技术，并将充分依靠自己的技术建立500吨/年原丝和200吨/年碳纤维消费线。兰化集团化纤厂已有100吨/年原丝消费线和预氧化消费装置，方案配套碳化装置消费碳纤维，原丝采用nasn一步法，该厂的腈纶消费线是我国从国外最早引进的，有丰富的消费经历和技术积累。吉林碳素厂是我国小丝束碳纤维消费基地，已向用户提供50余吨小丝束碳纤维。目前，该厂正在建立新的小丝束碳纤维消费线，扩大产量，以满足市场需求。此外，山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法消费pan基原丝达数十年的单位，目前仍在消费。大连兴科碳纤维已建成380吨/年消费线，是目前我国唯一实现碳纤维产业化的企业

12、，位居大陆首位，并在世界排名第十一，据专家评价该公司实际拥有年产量800吨的消费才能，产品各项技术指标已经到达国外同类产品先进程度。3.3存在问题和差距一是国内pan碳纤维总消费才能较小，实际消费量仅3040吨/年，远远不能满足国内的需要约50006000吨，目前我国95%的碳纤维依靠进口；二是与国际先进程度相比，国产碳纤维强度低仅相当于东丽公司已根本决定淘汰的t300程度，均匀性、稳定性差强度、模量、线密度的v值均为国外产品的一倍以上，毛丝多断头率为国外产品的6倍，品种单一且价格昂贵为国外产品的1.53倍，开展程度总体落后发到国家近2030年；三是厂家、装置规模小，技术设备落后，经济效益差。

13、四、产业分析4.1世界碳纤维市场4.1.1世界碳纤维扩产加速2022年以前碳纤维根本供大于求，属于买方市场，当时工业用普通模量级12k碳纤维价格仅12美元/公斤，但到了2022年形势突变，碳纤维一下子由买方市场变为卖方市场，价格一路攀升，2022年翻了好几倍，2022年更是处于有价无市的情况，这给碳纤维厂家带来了难得的开展机遇。从2022年开场全球碳纤维厂家兴起了一轮扩产热潮。日本东丽集团公司2022年4月陆续开场了一系列扩产工程，见表5。2022年4月12日宣布日本ehie扩产2200吨/年，2022年1月开场运转。2022年4月14日宣布法国sfiar扩产800吨/年，2022年10月开场

14、运转。2022年4月26日宣布美国fa扩产1800吨/年，2022年初开场消费。2022年还将分别在日本和美国各扩产1800吨/年。2022年东丽公司碳纤维产能将到达17500吨/年，差不多是2022的两倍。方案到2022年，东丽公司全球碳纤维市场的占有率要从2022年的34%进步到40%。2022年东丽还和波音公司协议，今后17年内东丽将提供29亿美元的碳纤维(主要是t700)给波音公司，用于b-787的消费。表5：东丽集团碳纤维扩产方案单位：吨地区20222022202220222022日本ehie4700470047004700+22006900法国safiar2600260026002

15、600+8003400+1800美国fa180018001800+180036003600+1800总计91009100109001390017500日本帝人东邦集团公司东邦集团紧随其后，从2022年8月开场进展了一系列收买和扩产方案：2022年8月31日宣布收买美国frtfil全部3500吨/年大丝束碳纤维消费线，将其改造成700吨/年小丝束，1700吨/年预氧化纤维，保存1300吨/年大丝束碳纤维。2022年4月15日东邦决定在日本ishia投资大约1亿美元(10.7billinyen)，扩大碳纤维消费才能2700吨/年，到2022年4月完成。2022年东邦集团碳纤维产能11800吨/年，

16、其中小丝束10500吨/年。大丝束1300吨/年。总产能仍居世界第二，见表6。表6：东邦集团碳纤维扩产方案20222022202220222022日本rt3700rt3700rt3700rt37003700+2700德国rt1900rt1900rt1900+1500rt3400rt3400美国lt3500rt700rt700rt700rt700lt1300lt1300lt1300lt1300总计910076009100910011800rt5600rt6300rt7800rt7800rt10500lt3500lt1300lt1300lt1300lt1300日本三菱人造丝集团公司日本三菱集团也加

17、快了扩产步伐，从2022年到2022年，3年内碳纤维产能将增加72%，接近或赶上东邦的产能，见表7。2022年4月，宣布增加日本消费线产能2200吨/年；20222022年完成。2022年l0月，宣布三菱和sgl结成碳纤维联盟，三菱提供技术和原丝，在sgl苏格兰消费线消费碳纤维，2022年二季度开场消费，三菱的回报是500700吨/年碳纤维。2022年底方案完成美国grafil扩产500吨/年的任务。2022年三菱集团碳纤维产能将到达7900810吨/年。由于三菱碳纤维此前尚未获得适航认可，只能用于工业和体育休闲用品，公司努力争取2022年获得airbusa380认可，使其碳纤维在宇航工业得到

18、应用。表7：三菱集团碳纤维扩产方案20222022202220222022日本3200320032003200+22005400美国grafil150015001500+50020002000欧洲sgl500700500700500700总计47004700550057007900810079008100此外，中国台湾台塑集团2022年5月24日宣布扩大碳纤维产能，从1850吨/年增加到2950吨/年，2022年12月完成。美国hexel公司2022年11月16日宣布在西班牙马德里附近建碳纤维厂，另外美国犹塔工厂也增加碳纤维消费线，产能增加大约50%，即从2270吨/年增加到3300吨/年，2

19、0222022年完成。目的很明确，针对a380、a350和b787对碳纤维的大量需求。zltek公司2022年1月3日报告，希望碳纤维产能从2022年的4080吨/年增加到2022年8620吨/年。从2022年l2月l6日开场和世界最大的风能厂家vistas等协议，为他们提供风电叶片用大丝束碳纤维。美国yte公司准备耗资超过l0亿美元建立新的碳纤维消费线，目前在选址和设计选择，方案2022年开场工作。综上所述，从2022年到2022年全球pan基碳纤维产能将从34050吨/年增加到61500吨/年，增长80.6%，平均年增长率20%，详见表8。如此显著的增长速度，将会对供需矛盾产生影响。表8：

20、世界pan基碳纤维名义才能单位：吨20222022202220222022tray小丝束91009100109001390017500大丝束300300300300300thtenax小丝束560063007800780010500大丝束35001300130013001300r小丝束4700520057007800810079008100hexel小丝束20002000230028003300ytee小丝束18001800180018003800中国台湾台塑小丝束185018501850295029500zltek大丝束2300330065001110011100sgl大丝束19001900

21、190019001900tehnlgy大丝束10001000100010001000小计小丝束2505026250303503715045900大丝束90007800110001560015600总计3405034050413505257061500增长百分数21.40%27%16.60%4.1.2碳纤维供需状况将趋于缓和根据表9和图1、图2对碳纤维产能和需求的预测分析可以看出，2022年全球碳纤维供小于求，按hrisred的预测缺口约2000吨，tray预测缺口近3000吨，中国台湾台塑预测缺口也有约1000吨，这就是2022年碳纤维紧张的说明。2022年虽然碳纤维厂家纷纷扩产，其供给量应较

22、需求量大，但是扩产局部要到2022年底或2022年初才能上市供给，且超过局部有限，仍不能满足用户要求。因此2022年碳纤维供给仍然紧张。2022年以后全球碳纤维产量将明显增加，扩量局部陆续上市，供给量显著超过需求量，供需矛盾得到缓解，紧张状况将会所改变。表9：世界pan基碳纤维的供需预测单位：吨年代世界碳纤维产能预测供世界碳纤维需求预测名义产能实际产能hrisred预测东丽预测东邦预测1按75%名义才能2按65%名义产能需求按实际产能1供需差额按实际产能2供需差额2022340502553822133219003637232220002022340502553822133240761461-1944250002082020224135031013268782650245103752405020225275039563342882920710355508030000267802022615004612539975322241390177513400030390202234510202237750图1：hrisred对世界碳纤维的供给与需求分析图2：中国台湾台塑对世界碳纤维的供给和需求分析4.2中国碳纤维市场1需求增长快。我国碳纤维