國內碳纖維企業技術突破國產替代勢不可擋
發布時間：2022-04-30
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一、國外企業占據高的端產能，國內企業正在奮力
歐美日企業具有先發優勢，碳纖維生產工藝已非常成熟。1959 年日本大阪工業 試驗所成功發明了 PAN 基碳纖維的制備技術，由此揭開了全球碳纖維產業發展的序 幕。國際上 PAN 基碳纖維的生產于上世紀 60 年開始起步，日本、英國是先開啟實驗室研發碳纖維，而美國于當時專注攻克粘膠基碳纖維，所以在此方面發展稍晚一步。
總的來說， 由于歐美日企業很早就開始研發碳纖維技術，并將技術與產業發展相融合，具備先發優勢，占據很大一部分的市場份額，對高的端碳纖維的市場更是形成了壟斷。目前， 世界碳纖維技術主要由日本企業掌握，其生產的碳纖維無論是質量還是數量均處于舉足輕重地位。日本的三家碳纖維企業（東麗、東邦、三菱）占據全球 PAN 基碳纖維約 50%的市場份額，日本東麗則是全球高性能碳纖維的企業。
國內發展稍有停滯，如今積極發展有望縮小差距。我國 PAN 基碳纖維的研究可 以追溯到 1962 年，與日本同時起步。由于國外碳纖維企業囿于“巴黎統籌條約” 的限制，不愿出售相關的生產設備，有英國 RK公司愿意出售極小產量的中試線， 中國碳纖維行業于上世紀 90 年代一直處于停滯狀態，直到進入新世紀之后，科技部設立碳纖維專項，將碳纖維列入 863 計劃新材料領域，才算是恢復發展。
2008 年， 以國有企業為主的大量工業企業涌入碳纖維行業，但大多企業在一些關鍵技術上毫無突破，生產線運行效率較低且產品質量不穩定。2010 年開始，碳纖維行業格局發生優化，優勝劣汰，從原先的 40 多家企業減少到了十多家企業。隨著下游應用的拓 展，碳纖維的需求逐步提升，倒逼上游企業開始大力發展，一些企業在工業級大絲 束碳纖維的生產工藝上取得突破，具備產業鏈自主化能力的產品類型。
二、 技術取得突破，為碳纖維國產替代奠定基礎
完整的碳纖維產業鏈包含從原油到終端應用的制造過程。上游企業從石油、天然氣等化石燃料中制取丙烯，并經過氨氧化得到丙烯腈。丙烯腈通過聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型得到聚丙烯腈（PAN）原絲。原絲需要經過多段氧化爐制成預 氧絲，隨后在氮氣的保護下經過低溫和高溫碳化后得到碳纖維。碳纖維可以制成碳 纖維織物和碳纖維預浸料，也可以與樹脂、陶瓷等材料相結合制成碳纖維復合材料， 由各種成型工藝得到下游應用需要的終成品。
1、 原絲：碳纖維的重要原材料，直接決定其各項性能指標
原絲制備是碳纖維產業鏈的重要環節。碳纖維原絲的質量和成本很大程度上決 定了碳纖維的性能和成本，PAN 原絲需要經過預氧化、碳化轉化成碳纖維，這是一個復雜的過程，碳纖維的缺陷主要源于各環節的誤差，其中 90%的缺陷是從原絲遺傳而來。如果原絲的分子結構和聚集態結構存在不同程度的缺陷，將會對碳纖維的質量和性能造成嚴重的影響。碳纖維的強度依賴于原絲的微觀形態結構及致密性，線密度越低，原絲中存在的缺陷越少，提高均一性有助于獲取高的強度的碳纖維。
原絲制備的技術壁壘和工藝差別主要在紡絲環節。碳纖維原絲的工藝主要包含 聚合、制膠、紡絲三個過程。經過長期的技術研究與工程化實踐，碳纖維行業主要 形成了兩種紡絲工藝：濕法紡絲和干噴濕法紡絲。干噴濕紡和濕法紡絲這兩種工藝存在較大差異：
（1）濕法紡絲更適合制備大絲束：高溫的紡絲液從噴絲頭出來之后， 直接進入了溫度較低的溶劑里會更容易冷卻和凝固下來，凝固之后更利于大絲束的 紡絲，但在凝固之后還需要進行拉伸，表面容易起皮，所以大絲束碳纖維的強度相較于小絲束會差一些。
（2）干噴濕紡工藝有效結合了干法和濕法，在紡絲速度和原絲性能方面均具有明顯優勢，適合制備小絲束：相較于濕法紡絲，干噴濕紡的噴絲 頭不會直接浸入凝固浴，噴頭溫度可以單個準確控制，紡絲液由噴絲版噴出之后在 進入凝固浴前會經過一段空氣層，紡絲液在空氣層中會發生一定的拉伸流動，提高紡絲速度，還有利于大分子鏈的取向。干噴濕紡制成的原絲結構相較于濕紡工藝更為均勻致密，截面更容易圓滑，從而提高力學性能。干噴濕紡工藝的難度較大， 目前世界上也只有少部分企業掌握了該工藝，并且已經生產出了成熟的系列產品。
2、 碳絲：受制于主要生產設備，國內碳纖維在穩定性方面稍有欠缺
碳化環節壁壘較高，國產主要裝備與世界水平仍有差距。碳纖維原絲經過多段氧化爐在空氣氣氛下反應得到預氧絲；預氧絲在氮氣保護下，分別經過低溫碳化、高溫碳化得到碳絲；隨后經表面處理后進行上漿，烘干得到碳纖維成品。預氧化是原絲到碳纖維過程中比較重要且耗時較長的一個階段，在預氧化過程中， 溫度是重要的影響因素，期間發生的環化、脫氫、芳構化、氧化、交聯等反應可導 致熱氧穩定化纖維共軛梯形結構的形成，保證其在后續高溫炭化過程中不會熔融， 對碳纖維的結構形成和性能起著決定性的作用。
一般預氧化時間短，外表皮層 結構較薄；時間加長之后皮層會逐漸加厚。熱風循環系統是工業預氧化爐中具技術含量的部分，該系統能夠直接形成預氧化爐內部的等溫區域，對爐體內部工作空 間的溫度均勻性起到了決定性的作用。原絲預氧化是一個放熱的過程，在預氧化過 程中會伴隨大量熱量的產生，如果熱量不能及時轉移散發出去，會造成蓄熱和局部 過熱，從而影響纖維的氧化均一性，甚至會造成纖維燒斷或起火燃燒。當前，我國企業制造的預氧化爐在相關指標方面與國際水平有著不小的差距，這也是制約我國高性能碳纖維發展的主要原因。
部分企業實現突破，碳纖維國產替代可期。碳纖維的制備工藝流程復雜，涉及的工藝參數較多，掌握這些工藝參數往往需要經過長時間的積累。碳纖維屬于戰略物資，國外對中國有一定程度的限制，氧化爐和碳化爐很難從國外企業直接購買，尤其是非民用領域。隨著我國在碳纖維領域取得突破，國外對我國生產工業級（民用）碳纖維的企業不再實施禁售。國內企業已經具備生產千噸級的碳纖維 整線設備，而且相較于進口設備，國產設備成本更低，未來民用碳纖維國產替代化有望加速。
- 回顧2020年全球碳纖維市場終端應用上一個：
- 光伏發展帶動碳纖維海量需求下一個：