中国碳纤维产业现状和思考

中国碳纤维产业现状和思考

碳纤维作为战略性新兴产业中的重要产品正受到越来越多的关注，国内碳纤维生产线建设也异常热闹，一片红火。目前，我国碳纤维生产企业已近３０家，除了民营企业，中石油、中石化、中化工、中钢铁、中国建材、首钢国际等大型国企都已介入，而且都是大手笔。截至目前，我国已建和拟在建的碳纤维产能已达到７万—８万吨／年，其中建成的产能为５０００吨。然而，去年的产量只有千吨左右，部分产品质量水平连Ｔ３００级都达不到，国内市场每年８０００—９０００吨的需求量大部分要依靠进口。在大量生产线出现“趴窝”现象的背后，反映了我国碳纤维目前真实的技术现状。

　１９５９年，日本发明了用聚丙烯腈为原丝加张力牵伸制造碳纤维的方法。目前，日本东丽公司的系列化聚丙烯腈基碳纤维最具代表性，其产品主要分为Ｔ、Ｍ、ＭＪ三个系列，每个系列又有不同型号，远远领先于世界平均水平。日本在１９８４年就生产出了Ｔ７００级产品，此外，国外单线最大产能已达１８００吨（１２ｋ），生产效率高。

我国碳纤维生产的研究始于１９６２年，起步不晚，但长期以来未取得实质性进展。近年的攻关，我国在一些碳纤维应用领域已经不再受制于人，但整体技术水平仍然相对落后。由于碳纤维技术被日本、美国等专利覆盖，我国企业缺乏核心自主知识产权的技术支撑，尚未全面掌握完整的碳纤维核

心关键技术，高性能碳纤维基本处于空白。目前，国内只有相当于或者次于Ｔ３００级碳纤维的产品，Ｔ７００级碳纤维尚处于工程化研究阶段，Ｔ８００、ＭＪ系列碳纤维尚在攻关。国内以３Ｋ（３０００根）、１２Ｋ的Ｔ３００级碳纤维为主打产品，许多低端产品毛丝多，性能指标不稳定，通用性差。千吨级碳纤维生产线的投资在４亿元左右，如果技术始终不能过关，项目投资有可能会打水漂，因此当务之急是提高碳纤维技术水平。目前国内技术水平高的碳纤维企业也有几家，但由于没有形成规模优势，同等质量产品的价格远高于国外，因此成本差异很大，导致我国碳纤维产品没有市场竞争力。据了解，日本东丽Ｔ７００级碳纤维的成本与国内Ｔ３００级的成本相当。

近年来，碳纤维产业风行，有技术背景的和没有技术背景的都在上项目。有技术上项目可以理解，但没技术怎么上呢？多数企业采用的是“挖人战术”，师出同门，技术水平和工艺路线处于同一档次的项目在低水平重复建设。引进的洋技术由于相关设备及配套技术的缺失，改造后多数都难以开花结果。上世纪８０年代我国就曾从英国ＲＫ公司引进大丝束预氧化炉和炭化炉，结果两套设备均未能正常运转，所谓的外国专家也无能为力，引进单位有苦难言，十几年后，当初的设备都当废铁卖了。另据了解，上世纪末期，安徽华皖碳纤维有限公司从英国引进了２００吨／年聚丙烯腈基碳纤维及５００吨／年原丝生产线，经过近十年建设，耗资３亿多，

但始终未能正常运转，最终宣布破产，后来生产线被廉价卖给了中国首钢国际贸易工程公司，目前仍在改造中。实践证明，无论从政治角度还是商业角度，技术水平较高的国外碳纤维公司都不可能向我国转让技术或出售设备；即使同意转让技术、出售设备的大多是一些小公司，其技术水平无先进性可言。所以引进技术一定要找准合作方，并加大相关配套技术的研发。当前国内企业研发大多各自为战、相互封锁，投在该领域的人力、物力不少，但资源没有得到有序、合理的配置，缺少一种鼓励技术研发的机制。

中国碳纤维技术攻关到底应该如何把握方向？碳纤维开发是个大工程，应以需求为牵引，按照科研——产业化示范——产业化的规律规范碳纤维的研究和发展，按照技术、产业发展规律科学布局，对单元核心工艺、关键设备和配套材料等瓶颈技术开展专题攻关，各个击破。同时注重碳纤维人才队伍建设，建立高素质的专家系统和高效的咨询机制，深入研究碳纤维发展的技术脉络，把握正确的技术方向，有效牵引、推动技术研究和产业工作。

碳纤维制备过程分为纯化聚合、纺丝、氧化炭化、石墨化和表面处理等多道工艺，涉及到有机化学、纺织学、化工机械、高分子化学和流体力学等多个学科，是一项工艺复杂、多学科交叉的高新技术产业。无论是工艺技术还是设备开发以及配套材料，只要有一项跟不上研制和产业化进程，就会

最终影响到碳纤维产业。目前相对落后的关键单元技术有大容量聚合、快速纺丝、均质氧化、快速氧化炭化等，其工程问题没有彻底解决，导致产品性能不稳，生产成本高。以大容量间歇聚合工艺为例，目前我国容积最大的聚合釜约６－１０立方米，部分生产单位为安全起见，采用多个２－３立方米小反应釜并联，而国际上先进的聚合釜容量现在已达到２０－４５立方米。聚合釜容积小，单釜聚合量就少，生产成本就高，而生产批次太多也会影响碳纤维整体性能的稳定性。在生产设备方面，国内一些关键设备产业化设计制造技术尚未取得突破，譬如氧化炉、多工位蒸汽牵伸机、宽口高温炭化炉和高温石墨化炉等。一旦这些设备在国际上禁运，对我国碳纤维产业的损害将无法估计，因此必须尽快掌握这些关键设备的制造技术。此外，碳纤维用油剂和上浆剂等关键原料在我国还处于实验室开发阶段，尚需依赖进口；与碳纤维产业化过程配套的废水、废气处理技术也不够完善。从发展前景看，规模化生产是降低成本、参与市场竞争的重要前提。

从国外碳纤维产业发展历程看，比较成功的碳纤维企业都是从ＰＡＮ原丝开始，到碳纤维生产，甚至到复合材料制品，形成一条龙产业。单一生产原丝，或依靠从市场购买原丝生产碳纤维的企业发展比较困难，大都已关停，这应引起我国相关企业注意。技术水平太低的企业必然要遭到淘汰，技术水平相对较高的企业可以加大碳纤维在普通民用领域的应

用开发。未来碳纤维市场的增长点在风电叶片、建筑材料、汽车、大飞机、压力容器和高压输电线等新兴工业领域，消费量将会大幅增长。

对于碳纤维用量能否实现飞跃？自上世纪６０年代末碳纤维投入市场应用以来，至今已走过５０多年，但去年全球的碳纤维用量也仅有５万吨左右。从所得到的资料分析：全球２０１０年玻纤用量达４５０多万吨，碳纤维为５万多吨，市场用量为９０：１；从价格比看碳纤维为玻纤的１０倍以上，与高强高弹碳纤维相比，要达数十倍以上。所以，这就决定了它不可能在短时间内有玻纤那么大的市场。根据国内外碳纤维企业和专家预测，从２０１１年起，每年约有１３％的增长，到２０１８年才达到１０万吨，因此，全球占主导地位的复合材料仍然为玻璃钢复合材料。从另一方面看，当前和今后，全球碳纤维复材的应用市场主要集中在与钢结构密切相关的高耗能、高排放领域中的大飞机工程、汽车工程、海船工程、电力工程等，以此达到以碳代钢、节约燃料、减少二氧化碳排放。众所周知，因化石能源的生产及应用，每年给全球造成温室气体损害无可估量，就美国报告的数字超过７０亿美元。因此，各国政府近几年陆续出台一系列政策与法规来解决这一问题。就欧美先进国家来讲，他们把传统能源节能减排和新能源产业看作一种战略经济，利用碳减排推出低碳经济方案，用法律来约束。当前，国内出现“碳纤维热”，有碳纤

维深加工ＯＥＭ“加工热”、大量碳纤由海外提供的“进口热”、国内碳纤维开发“圈地投资热”等，我们期望这“三种热”能带来冷静思考，使我们最终看到国产碳纤维由集成创新走向自主创新。

关于玄武岩纤维，我国自２００２年将玄武纤维及其复合材料项目正式列入国家“８６３”计划，“玄武岩纤维热”也逐渐兴起。玄武岩纤维是以火山喷出岩作为原料，将其破碎加入熔窑炉中，经过１４５０℃～１５００℃高温熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。但玄武岩纤维因生产工艺太粗放、原料成分多且波动大等多种技术因素，至今在国内外均未被广泛应用。据资料报道，目前国内现有玄武岩纤维生产企业近十家，其中四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司的３０００吨／年玄武岩纤维生产线项目，是国内首个采用气电结合单元窑拉丝工艺的项目。去年底该公司又将此单元窑技术移植到河北通辉科技有限公司，建立起总投资８７００万元，年产能１０００吨的连续玄武岩纤维生产线。另据了解，玄武岩纤维开发项目又在南京新城科技园“绿材谷”落户，该项目是东南大学与南京市建邺区政府共同打造的国家级示范性项目。我国玄武岩纤维有近二十多年的开发历史，但至今未能形成产业，其原因是多方面的，如原料使用粗放、工艺技术不成熟、产品性能不稳定、相关标准体系不完善等等，但缺少对玄武岩纤维特性的整体基础性研究是制约玄武岩纤维

产业健康发展的最大问题。国外数据显示，玄武岩纤维物理性能基本接近Ｓ玻纤性能，而耐２０００℃高温的性能是其优势所在。目前全世界能够稳定生产的连续玄武岩纤维生产线约有１５条，产量不足１００００吨，其中比较知名的有乌克兰绝热材料公司和俄罗斯苏达格达玻纤公司。

谈到我们自身玻璃纤维，值得我们骄傲的是近十多年来，全球玻纤无论是产量、品种还是性能创新，都取得了快速发展。目前全球玻纤产量４５０万吨，７０％为玻璃钢复合材料市场，其它３０％为电绝缘市场、建筑节能市场、滤材膜材市场及多用途工业技术织物市场等。国民经济的整体提升，推进了全球高性能玻纤持续开发。六大玻纤企业ＯＣＶ、ＰＰＧ、ＡＧＹ和我国的重庆、泰山、巨石等成为高性能玻纤的开拓者。

全球玻璃纤维在２００５年之前，处于一个大规模产能扩张及应用的规模经济时期，玻纤及其应用市场逐步向中国转移，更体现了这一趋势。２００５年后，全球低碳经济的提出，将玻璃纤维推向了高性能发展时期。由于玻璃纤维成份的可设计性、从超细纤维到粗直径纤维的多变性，借助于玻璃纤维表面处理技术和纺织工艺而衍生出的各类工业技术纺织品，将推动我国玻璃纤维产业未来的市场更为广阔，并以此赢来更多的新兴市场和高端市场。围绕着当前高性能玻纤的应用，无论是热固性树脂的环氧、不饱和、聚氨脂、酚醛树脂，还是热塑性塑料、工程塑料等树脂，都在强度、模量、耐疲劳

和工艺性方面进行技术突破，尤其是聚氨脂树脂和尼龙树脂的改性开发，其耐疲劳性能大大超过其它树脂，可能在受力制品的材料和性价比的设计上会领先整个纤维增强复合材料。

科学无止境，实践出真知。高性能纤维的持续开发，缩短了与当前高性能纤维的性能差距，并在玻纤特性上得到了更充分的发挥。我们在现有不断创新的基础上，通过玻璃成分、表面处理、炉窑结构、漏板结构的一系列技术设计，加快推进高性能玻璃纤维向多功能、多品种发展大有奔头。我们将与碳纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维等高性能纤维一起，优势互补，共聚发展。

注：本文是根据近期中国化工报对国家新材料产业发展战略咨询委员会副秘书长李克健和中科院山西煤化所碳纤维制备技术国家工程实验室主任吕春祥等采访专稿摘编，并补充了２０１１年世界碳科学（上海）大会有关信息和本刊收集资料