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碳纤维 走出低端的突围之路
时间:2010-07-14 14:42:44  来源:中国纺织报  共有条评论


  日前,江苏连云港神鹰自行车有限责任公司生产出完全拥有自主知识产权的仅有6公斤重的碳纤维自行车,其主要原料碳纤维全部由中复神鹰碳纤维有限责任公司提供。这种自行车已通过欧洲碳纤维自行车质量认证,价格仅为同类进口碳纤维自行车的1/3。公司年产10万辆碳纤维自行车一期工程将于年内开工建设。与普通材质自行车相比,碳纤维自行车具有质轻耐用、节省体力的特点。作为自行车车体材料,这仅仅是碳纤维应用领域的一个小小实例。

  碳纤维离我们的日常生活越来越近,这种比头发丝细100倍的纤维状碳材料,它的密度不到钢的1/4,但抗拉强度却是钢的7~9倍,抗拉弹性也高于钢,碳纤维比铝轻、比钢硬。由于质轻,碳纤维复合材料质量大约是钢的20%,依据纤维等级和方向性,甚至可以达到类似钢材的强度。此外,碳纤维还不生锈,使用碳纤维材料可以大幅降低产品体重,因而可显著提高燃料效率,用其生产的飞机、汽车,可节约大量燃油。

  碳纤维由于具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等性能,因而使其成为一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料,是新一代增强纤维。目前,碳纤维不仅广泛应用在航空航天、军事工业,而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间。

  困境一:

  生产技术远落后于发达国家

  由于碳纤维应用领域涉及到国家的国防和军工,因此,碳纤维的技术及生产设备各国都严格保密。日本、美国等主要生产公司长期以来不但对高性能特种原丝制备技术高度保密、不肯转让,也不出售高性能特种原丝产品,而且成套技术引进的可能性也很小。

  据中科院山西煤炭化学研究所研究员贺福介绍,我国T300通用级产业化已取得突破性进展,百吨级和千吨级碳纤维已投入生产;T700级正在进行中试放大,T800级正在实验室研制。目前国内有一两个单位的产品品质已超过T300级的性能指标,达到了T400级水平,并且可以小批量生产。这处于上世纪80年代日本东丽公司在碳纤维研发方面的水平。从总体形势来看,我国当前处于由T300通用级向高性能的T700和T800发展的过渡期。

  但是由于应用领域的不同,对碳纤维及其复合材料的质量要求也不同。也就是说,仅有通用级T300是远不能满足市场需求的。因此,贺福认为,必须研制高性能的T700、T800和T1000级的碳纤维。他举例说,制造大飞机的一次结构材料需要用T800H级及其复合材料P2302(T800H/3902-2);制造碳纤维复合芯铝绞电缆(ACCC)也需要T700S级。因此,研制高性能碳纤维已是当务之急。未来的主导产品应是T700和T800级,并且T700级将逐步取代T300级,成为新一代通用级碳纤维。

  困境二:

  规模小数量多重复研发

  我国对碳纤维的研究起步并不晚,虽取得了一些进展,但多年来发展较为缓慢。据上海擎督信息科技公司金秋能源化工工作室创办人钱伯章高工介绍,我国自20世纪60年代由中科院长春应用化学研究所率先开始PAN基碳纤维的研究,70年代初完成了连续化中试装置。其后上海合成纤维研究所、中科院山西煤化所、北京化工大学、山东工业大学等也开始研究工作,并于80年代中期通过了中试,进入产业化试生产阶段,先后建成了从年产几百千克到几吨的小试装置和年产几十吨的中试装置。但总体而言,不论是技术水平、生产能力和产品质量等都与国外先进水平有较大的差距。

  进入21世纪以来,国内碳纤维产业发展较快,安徽华皖碳纤维公司率先引进了年产500吨原丝、200吨PAN基碳纤维生产装置,成功填补我国碳纤维及原丝工业产业化生产空白。

  从2000年开始,我国碳纤维向技术多元化发展,放弃了原来的硝酸法原丝制造技术,采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

  据钱伯章介绍,近年来,国家有关部委已将碳纤维技术的产业化进程作为我国的一项战略任务。随后,一些企业相继加入碳纤维生产行列。目前,我国已有吉林神舟碳纤维公司、山东天泰新材料股份有限公司、浙江嘉兴中宝碳纤维有限公司、保定天鹅化纤集团、大连兴科碳纤维有限公司、山西恒天纺织新纤维科技有限公司等生产规模大小不一的碳纤维生产厂家,合计年生产能力为2310吨。据不完全统计,目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家,合计生产能力为原丝年产量7100吨、碳纤维1560吨,其中在建企业为4家,合计生产能力为原丝年产量1100吨、碳纤维470吨。

  反观全球,由于碳纤维生产工艺复杂,至今世界上规模企业不超过12家。他们分别是日本的东丽、东邦和三菱丽阳,美国的氰特工业公司(Cytec)、赫克塞尔(Hexcel)公司、卓尔泰克(Zoltek)公司、阿莫科(Amoco)公司,德国的SGL,韩国泰光产业公司以及中国台湾的台塑公司等。其中领先的生产商有日本的三菱丽阳、东邦和东丽以及美国Cytec、Hexcel公司等。

  2008年,我国全面启动和实施的大飞机重大专项整体配套项目中,包括了碳纤维在内的诸多化工新材料项目,随着以该专项为代表的国内各领域对碳纤维产品需求的增加,许多碳纤维研究项目或千吨级产业化项目纷纷启动。然而,由于我国碳纤维行业缺乏具有自主知识产权的核心产业化技术,产业发展不会一蹴而就,但发展契机已到。

  据介绍,从技术研发到产业化转化的难度更大,因此碳纤维要真正实现国产化还需要一个漫长的过程。由于市场短缺,近年来国内出现了“碳纤维热”。但应指出,虽然当前国内市场对碳纤维产品需求较大,但盲目发展存在很大风险,这些千吨级项目实施几年以后市场出现过剩将成为必然。

  据相关部门预测,世界碳纤维需求每年将以大约13%的速度飞速增长,2010年, PAN基碳纤维的全球需求量将达5万吨,到2012年将达6万吨,预计到2018年需求量将达到10万吨。

  为此,全球七大碳纤维制造商(东丽、东邦、三菱丽阳、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek)已宣布计划在未来3~5年内扩产78%,总投资额为87970万欧元。有关专家预计,短期看来,碳纤维会供不应求,但到2012年,供应可能会超过需求。

  突围之路一:

  握紧拳头形成合力

  如何在供应超过需求的前景下,快速提升中国碳纤维产业的升级步速?钱伯章认为,国内在制约碳纤维发展的诸多原因中,PAN原丝水平的落后是制约碳纤维生产水平提高的瓶颈,不仅影响碳纤维的质量,而且影响其产量、生产成本和市场竞争能力。

  当前我国亟待掌握高性能PAN基原丝生产技术,抢占市场先机。在完善碳纤维生产技术的前提下,尽快在PAN基原丝制造工艺技术上取得突破,发展高质量的上游产品生产线,保证碳纤维生产稳定、产品优质,从而在关键技术上打破国外的封锁与垄断。

  为此,各大科研机构、企业应该握紧拳头形成合力,避免重复引进、重复研究的现象,少走弯路、节约成本。

  钱伯章建议,国家对其扶持应主要集中于建立互通有无的系统化研究网络,同时加大投入及税收、信贷等政策倾斜,以鼓励碳纤维生产企业、原料生产企业和有实力的投资企业,特别是对开拓性企业财力上的倾斜力度。尽管我国对碳纤维的生产有明确的规划和目标任务,但重复引进、重复研究现象仍然非常严重。国家应重点扶持几个成功企业,大力协同,优化布局,整合资源,合作攻关,防止低水平重复建设和盲目发展,实现让更多企业少走弯路、节约成本的目标。使我国成为独立掌握、自主拥有技术和实现产业化发展的国家。

  钱伯章同时建议,要借鉴国外先进经验,加强产学研用紧密结合,建立相关机制,把高性能纤维产业发展上升到国家战略高度,使我国碳纤维产业能够快速健康地发展。

  突围之路二:

  着眼于循环利用

  近年来,国外对碳纤维技术开发研究集中在提高性能、降低成本方面。日本东丽公司根据先进复合材料市场发展的需求,已决定逐步淘汰T300类碳纤维,重点发展拉伸强度为4000~5000MPa、价格与 T300基本相当的碳纤维品种,同时由于大丝束碳纤维性价比较高,也开始发展大丝束碳纤维,如最新开发的 T6005、T7005、T700G等。

  另外,一些企业重视研发环境友好型循环碳纤维。日本东丽、帝人和三菱丽阳计划联手大规模生产循环碳纤维,以促进高强轻质材料的回收利用。

  碳纤维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,大量废弃的碳纤维产品亟待处理。据日本三菱丽阳估计,目前全球废弃的碳纤维大约为1万吨,2010年可达2万吨。随着碳纤维生产能力的扩大及增强材料的大量使用,对环境友好的趋势要求企业重视碳纤维的回收利用。发达国家已开始了这项工作:德国TITK研究所开发的新工艺,不采用撕切处理就能从废弃碳纤维纺织品中获取长度≥20mm,一般长度为30mm~70mm的碳纤维;西班牙INASMET运输安全机构采用化学和热解处理技术开发了碳纤维—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碳纤维制品。

  日本东丽公司、帝人公司和三菱丽阳公司于2009年建立一个合资企业,从飞机和其他设备中回收和循环利用使用过的碳纤维。循环碳纤维的年产量将从开始的几百吨增加到目前世界最大产量1000吨。

  目前,我国在碳纤维循环利用方面,是否也应借鉴国外的先进理念,纳入研发范围之内?毕竟站在巨人的肩膀上,可以让我们看得更高更远。