碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告

顧佳杰

上海市化工科學(xué)技術(shù)情報研究所 （上海 200030）

碳纖維（carbonfiber，簡稱CF）是由有機纖維在惰性氣體保護下經(jīng)過高溫（1000～3000℃）分解與碳化方式形成的含碳量在90%以上的一種新型高分子材料。其強度比鋼鐵高，密度比鋁小，具有輕質(zhì)、高強度、高彈性模量、耐高低溫、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、能源、體育休閑等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值，被稱為21世紀(jì)的“黑色黃金”[1]。以碳纖維性能為標(biāo)準(zhǔn)值1，其與其他材料的性能對比見圖1[2]。

圖1 碳纖維和其他材料性能對比

按原絲類型，碳纖維通常可分為三類：聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青（Pitch）基碳纖維和黏膠（Rayon）基碳纖維。其中，PAN基碳纖維因生產(chǎn)工藝簡單、成本較低、力學(xué)性能優(yōu)良等特點，已成為當(dāng)今世界產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣的一種碳纖維，市場占有率高達90%以上；而瀝青基碳纖維市場占有率在7%左右。表1[3]為3種主要原料碳纖維性能的對比。

按每束絲束數(shù)量，碳纖維可分為小絲束和大絲束兩種。

通常，每束碳纖維數(shù)量大于48 000（簡稱48 k）根的被稱為大絲束碳纖維（也稱工業(yè)級大絲束），另外還包括 60 k、120 k、180 k、320 k 和 360 k 等。

表1 三類碳纖維性能對比

每束碳纖維絲束的數(shù)量小于24 k及以下的碳纖維稱為小絲束碳纖維（也稱宇航級小絲束），另外還有 1 k、3 k、6 k、12 k 和 24 k 等[4]。

相比大絲束碳纖維，小絲束碳纖維的生產(chǎn)工藝控制要求更嚴(yán)格，生產(chǎn)成本也較高，但絲束越小制造出來的產(chǎn)品也越輕薄，性能也越高。小絲束碳纖維主要應(yīng)用于航空航天、軍工等高端領(lǐng)域；工藝要求相對不那么嚴(yán)格、生產(chǎn)成本相對較低的大絲束碳纖維主要應(yīng)用于汽車、風(fēng)力發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。未來，碳纖維的性能有望得到進一步改善，成本也會更低，其應(yīng)用范圍會更廣。

1 市場情況

1.1 全球市場

1.1.1 產(chǎn)能情況

2017年碳纖維理論產(chǎn)能為147kt/a，整體平均開工率在70%左右，近10年的年均增長率為9.3%，歷年碳纖維產(chǎn)能情況如圖2所示。

圖2 2008—2017年全球碳纖維產(chǎn)能

目前全球最大的碳纖維制造商為日本的東麗株式會社（Toray，以下簡稱“東麗”），在其成功收購美國最大的大絲束碳纖維生產(chǎn)商卓爾泰克公司（Zoltek，下稱“卓爾泰克”）之后，已毫無疑問地成為全球碳纖維領(lǐng)域的霸主，總產(chǎn)能達到42kt/a。目前東麗在美國、墨西哥、法國、意大利、德國、匈牙利、韓國及日本都有生產(chǎn)基地。國際上其他主要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)分別為德國的西格里碳素集團（SGL，下稱“西格里”），日本的三菱麗陽株式會社（MRC，下稱“三菱麗陽”）和東邦機械工業(yè)株式會式（TOHO，下稱“東邦”），中國臺灣的臺塑集團（FPC），美國的赫氏公司(Hexcel)和氰特公司（Cytec，已被蘇威收購），中國大陸的中復(fù)神鷹碳纖維有限公司、江蘇恒神股份有限公司、精功集團有限公司、威海光威復(fù)合材料有限公司、蘭州藍星碳纖維有限公司和中安信科技有限公司，另外還有韓國的曉星集團（Hyosung）和泰光工業(yè)公司（TKI），土耳其的阿克薩公司（DowAksa），以及俄羅斯的UMATex。韓國曉星、泰光是日本東麗在韓國的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移承接企業(yè)，都是資深的化纖企業(yè)，對碳纖維有很大的戰(zhàn)略安排，未來隨著技術(shù)的日漸成熟，這些企業(yè)會成為碳纖維的重要生產(chǎn)廠家。各公司生產(chǎn)能力具體如圖3所示[4]。

圖3 2017全球碳纖維主要制造商

從地域分布[4]來看（見圖4）：碳纖維產(chǎn)能居前三的仍分別是美國、日本和中國，但世界格局從之前的歐美企業(yè)主打大絲束與新興市場、日本企業(yè)主打小絲束與傳統(tǒng)市場，變?yōu)榱?017年的全球大小絲束+新老市場的混業(yè)經(jīng)營。日本三大巨頭的市場壟斷地位在增強，依然是世界碳纖維發(fā)展的主力。尤其是在東麗收購卓爾泰克，三菱加大大絲束碳纖維的投入后，日本企業(yè)在工業(yè)級碳纖維方面的抱負更加明顯。雖然日本的能源及人工成本均比較高，但其技術(shù)上的巨大優(yōu)勢完全可以彌補這兩個短板。將來隨著技術(shù)的成熟與市場競爭的加大，日本企業(yè)必然會在大用戶的周邊建廠，或加大到綜合成本相對較低的國家建廠的力度。目前東麗旗下的匈牙利和墨西哥基地有望超過中國臺灣、韓國，成為國際重要的碳纖維產(chǎn)地。

圖4 2017年全球碳纖維理論產(chǎn)能國家分布情況（kt·a-1）

1.1.2 需求情況

2017年全球碳纖維需求量約在8.42萬t左右，預(yù)計在2019年突破10萬t大關(guān)。近10年碳纖維需求量平均年增長率為9.8%，預(yù)計未來仍將以10%左右的速率增長。歷年全球碳纖維需求情況見圖5[4]。

圖5 全球碳纖維需求情況

在下游應(yīng)用方面（見表2），碳纖維在軍事、工業(yè)和民用等領(lǐng)域都有應(yīng)用，主要為：航空航天、汽車工業(yè)、風(fēng)電葉片，體育用品、混配模成型、壓力容器、建筑補強、電子電器，等等。其中：風(fēng)電葉片為最大應(yīng)用領(lǐng)域，用量約占23.5%；航空航天為第二大應(yīng)用領(lǐng)域，占22.8%；體育休閑為第三大應(yīng)用領(lǐng)域，占15.7%。而應(yīng)用價值占比位于前三位的分別是航空航天（48.9%），體育休閑（12.9%），風(fēng)電葉片（11.8%）。

1.2 國內(nèi)市場

1.2.1 產(chǎn)能情況

2017年中國碳纖維理論產(chǎn)能達到26kt/a，但實際產(chǎn)量約7400 t，實際開工率約為28.5%，與國際63.4%的平均開工率有不小的差距。中國碳纖維產(chǎn)業(yè)始終處在“有產(chǎn)能，無產(chǎn)量”的局面，歸其原因還是中國碳纖維行業(yè)總體技術(shù)尚未成熟穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量及性價比相對較低。但從歷年數(shù)據(jù)（見圖6）來看，中國碳纖維的開工率是在不斷提升的，產(chǎn)品質(zhì)量也在不斷進步。未來，隨著中國碳纖維制造企業(yè)技術(shù)不斷成熟、產(chǎn)品質(zhì)量逐漸穩(wěn)定，慢慢得到市場認(rèn)可后，產(chǎn)量會持續(xù)放開。

表2 2017年碳纖維下游領(lǐng)域應(yīng)用

圖6 中國碳纖維理論產(chǎn)能、產(chǎn)量及開工率

2017年，中國碳纖維產(chǎn)業(yè)集中度在加速，7家千噸級碳纖維企業(yè)的理論產(chǎn)能已經(jīng)占到全國的84.8%（2016年為79.6%），預(yù)計未來該產(chǎn)業(yè)集中度還會上升。圖7為中國主要碳纖維制造商理論產(chǎn)能情況。[4]

圖7 中國碳纖維理論產(chǎn)能主要制造商

1.2.2 需求情況

近幾年中國碳纖維消費增長迅速，2017年中國碳纖維需求量達到2.3萬t，10年平均增長率保持在12%左右，未來中國有望以12%的需求增長率繼續(xù)快速發(fā)展，到2020年需求量有望達到3.3萬t。目前，由于中國國產(chǎn)碳纖維難以滿足性能和穩(wěn)定性的要求，中國碳纖維仍以進口為主。隨著國內(nèi)企業(yè)對碳纖維生產(chǎn)技術(shù)不斷摸索，產(chǎn)品質(zhì)量在不斷提升，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)量有著明顯的提升。歷年中國碳纖維需求情況如圖8所示。

圖8 中國碳纖維需求情況

目前，中國的碳纖維消費結(jié)構(gòu)與國際有著顯著的差異（見圖9）[4]，其中大部分碳纖維都用于體育用品的生產(chǎn)，其次才是風(fēng)電，之后是建筑補強等，而在國際上占大頭的航空航天業(yè)在中國只占3.8%。隨著中國大飛機項目不斷成熟，未來中國航空航天領(lǐng)域的碳纖維需求會不斷加大，但由于碳纖維對中國的出口有諸多限制，航空航天領(lǐng)域的高性能碳纖維還需要我國企業(yè)不斷努力。

圖9 2017年中國碳纖維下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)（t）

1.2.3 進出口情況

中國碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈涉及的稅則號主要包括：68159920（碳纖維）、68159932（碳纖維預(yù)浸料）和68159939（碳纖維制品）等。近3年的進出口情況如 表3所示。

表3 中國碳纖維進出口概況

近年來，我國碳纖維及制品進口量逐年上升，出口量也平穩(wěn)增長。雖然我國碳纖維出口量目前還處于低位，但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，目前我國碳纖維生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)有所突破，未來將會有新的增長。

2 技術(shù)概況

目前，最廣泛使用的PAN基碳纖維紡絲原液工業(yè)生產(chǎn)方法有兩種。一種方法是將丙烯腈及共聚單體、溶劑、引發(fā)劑等混合于反應(yīng)釜中，在一定的反應(yīng)溫度、時間下進行聚合從而得到PAN原液，再通過脫單、脫泡、過濾等處理，獲得滿足紡絲要求的紡絲原液以供紡絲。另一種方法是將丙烯腈及共聚單體、引發(fā)劑等混合于反應(yīng)釜中，在一定的反應(yīng)溫度、時間下進行聚合，通過脫單、洗滌、干燥等處理得到PAN粉末，再與溶劑[如三甲基甲酸胺（DMF）、二甲基乙酰脂（DMAc）、二甲基亞砜（DMSO）、濃硝酸、ZnCl2水溶液以及NaSCN水溶液等］混合，之后采用合適的溫度溶解為PAN溶液，最后經(jīng)脫泡、過濾等處理后，獲得滿足紡絲要求的紡絲原液供紡絲[6-7]。第一種方法通常被稱為一步法溶液聚合工藝制備PAN基碳纖維紡絲原液的方法，第二種方法通常被稱為二步法工藝制備PAN基碳纖維紡絲原液的方法。

紡絲原液的制備難點在于PAN中的氰基有大的偶極，使得PAN分子鏈以螺旋柱狀形式排列，當(dāng)這些螺旋鏈放在一起時，鄰近的氰基就會采取反平行方式排列從而形成強的相互作用，使PAN鏈具有高度有序的結(jié)構(gòu)。正是這種氰基之間的相互作用導(dǎo)致了溶液行為的復(fù)雜性，給PAN纖維的溶液紡絲帶來一些困難，主要表現(xiàn)在：紡絲原液過濾困難，噴頭操作周期短，噴頭易發(fā)生堵孔現(xiàn)象，生產(chǎn)穩(wěn)定性差，噴絲狀態(tài)易變差，原絲離散性能大，易出現(xiàn)毛絲、斷絲，等。因此，要實現(xiàn)PAN纖維的高性能化，控制PAN溶液的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)十分重要。

3 結(jié)語

中國在碳纖維的產(chǎn)能及應(yīng)用上都已成為碳纖維的大國，但碳纖維產(chǎn)能總體開工率不高，消費結(jié)構(gòu)仍與國外存在不小的差距，主要集中在中低端產(chǎn)品上。

好的碳纖維必然需要好的碳纖維原絲。中國在碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域的研發(fā)投入很多，專利申請數(shù)量位居全球第二（第一為日本），隨著中國自產(chǎn)碳纖維品質(zhì)的提升，中國碳纖維市場將會有更大的增長空間。