碳纖維的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

碳纖維的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展論文關(guān)鍵詞：碳纖維工藝技術(shù)供需情況發(fā)展論文摘要：碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，分子結(jié)構(gòu)界于石墨和金剛石謝謝閱讀之間，含碳體積分?jǐn)?shù)隨品種而異，一般在0.9以上一、碳纖維的性1.1分根據(jù)原絲類型分類可分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和粘膠基3種碳纖維，將原絲感謝閱讀纖維加熱至高溫后除雜獲得。目前，PAN碳纖維市場用量最大；按力學(xué)性能可分為高模量謝謝閱讀、超高模量、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度4種碳纖維；按用途可分為宇航級小絲束碳纖維和工業(yè)精品文檔放心下載級大絲束碳纖維，其中小絲束初期以1K、3K、6K（1K為1000根長絲）為主，逐漸發(fā)展謝謝閱讀為12K和24K，大絲束為48K以上，包括60K、120K、360K和480K等精品文檔放心下載1.2性碳纖維的主要性能：(1)密度小、質(zhì)量輕，密度為1.5～2克/立方厘米，相當(dāng)于鋼密度精品文檔放心下載的l/4、鋁合金密度的1/2；(2)強(qiáng)度、彈性模量高，其強(qiáng)度比鋼大4-5倍，彈性回復(fù)l00%；謝謝閱讀(3)具有各向異性，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降，耐驟冷、急熱，即使從幾千謝謝閱讀度的高溫突然降到常溫也不會炸裂；(4)導(dǎo)電性好，25。C時(shí)高模量纖維為775μΩ/cm，高感謝閱讀強(qiáng)度纖維為1500μΩ/cm；(5)耐高溫和低溫性好，在3000。C非氧化氣氛下不融化、不軟精品文檔放心下載化，在液氮溫度下依舊很柔軟，也不脆化；(6)耐酸性好，對酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸精品文檔放心下載、硫酸等侵蝕。此外，還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性謝謝閱讀通常，碳纖維不單獨(dú)使用，而與塑料、橡膠、金屬、水泥、陶瓷等制成高性能的復(fù)合精品文檔放心下載材料，該復(fù)合材料也具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等優(yōu)良性質(zhì)謝謝閱讀，已在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用1.3應(yīng)用領(lǐng)由于碳纖維具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性，因此被廣泛應(yīng)用謝謝閱讀于土木建筑、航空航天、汽車、體育休閑用品、能源以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。此外，碳纖感謝閱讀維在電子通信、石油開采、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，主要用于放電屏蔽材料精品文檔放心下載、防靜電材料、分離鈾的離心機(jī)材料、電池的電極，在生化防護(hù)、除臭氧、食品等領(lǐng)域種精品文檔放心下載也有出色的表現(xiàn)二、生產(chǎn)工通常用有機(jī)物的炭化來制取碳纖維，即聚合預(yù)氧化、炭化原料單體—原絲—預(yù)氧化絲謝謝閱讀—碳纖維。碳纖維的品質(zhì)取決于原絲，其生產(chǎn)工藝決定了碳纖維的優(yōu)劣。以聚丙烯腈謝謝閱讀(PAN)纖維為原料，干噴濕紡和射頻法新工藝正逐步取代傳統(tǒng)的碳纖維制備方法(干法和濕感謝閱讀法紡絲)。2.1干噴濕紡干噴濕紡法即干濕法，是指紡絲液經(jīng)噴絲孔噴出后，先經(jīng)過空氣層(亦叫干段)，再進(jìn)謝謝閱讀入凝固浴進(jìn)行雙擴(kuò)散、相分離和形成絲條的方法。經(jīng)過空氣層發(fā)生的物理變化有利于形成精品文檔放心下載細(xì)特化、致密化和均質(zhì)化的絲條，紡出的纖維體密度較高，表面平滑無溝槽，且可實(shí)現(xiàn)高感謝閱讀速紡絲，用于生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的碳纖維原絲干噴濕紡裝置常為立式噴絲機(jī)，從噴絲板噴出的紡絲液細(xì)流經(jīng)空氣段(干段)后進(jìn)入凝精品文檔放心下載固浴，完成干噴濕紡過程；再經(jīng)導(dǎo)向輥、離浴輥引出的絲條經(jīng)后處理得到PAN纖維精品文檔放心下載離開噴絲板后的紡絲液細(xì)流先經(jīng)過空氣層(干段)再進(jìn)入凝固浴，干段很短，但對凝固謝謝閱讀相分離和成纖結(jié)構(gòu)有著重大影響，在空氣層，擠出的紡絲液細(xì)流中的溶劑急速蒸發(fā)，表面謝謝閱讀形成了薄薄致密層，細(xì)流進(jìn)入凝固浴后可抑制雙擴(kuò)散速度；由于在噴絲板出口處產(chǎn)生膨脹謝謝閱讀效應(yīng)，靠細(xì)流自身的重力以及牽伸力向下流動(dòng)，然后經(jīng)干噴濕紡的正牽伸可使脹大部分被謝謝閱讀牽伸變細(xì)后進(jìn)入凝固?。荒淘〔捎玫腿軇┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)配比和低溫凝固，低溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)配謝謝閱讀比可加大溶劑與細(xì)流之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差，加速擴(kuò)散；低溫可抑制擴(kuò)散速度，利于沉淀結(jié)構(gòu)謝謝閱讀致密化、均質(zhì)化，最終紡出的原絲和所制碳纖維表面較平滑而無溝槽精品文檔放心下載與純濕紡相比，干噴濕紡可紡出較高密度且無明顯皮芯結(jié)構(gòu)的原絲，大幅提高了纖維感謝閱讀的抗拉強(qiáng)度，可生產(chǎn)細(xì)特化和均質(zhì)化的高性能碳纖維2.2射頻PAN原絲經(jīng)過預(yù)氧化(200～350。C，射頻負(fù)壓軟等離子法)、碳化(800～1200。C，微精品文檔放心下載波加熱法)到石墨化(2400～2600。C，射頻加熱法)，主要受到牽伸狀態(tài)下的溫度控制。在謝謝閱讀這一形成過程中達(dá)到纖維定型、碳元素富集，分子結(jié)構(gòu)從聚丙烯腈高分子結(jié)構(gòu)—亂層的石精品文檔放心下載墨結(jié)構(gòu)—三維有序的石墨結(jié)構(gòu)國內(nèi)有自主知識產(chǎn)權(quán)的“射頻法碳纖維石墨化生產(chǎn)工藝”開辟了碳纖維生產(chǎn)的創(chuàng)新之路感謝閱讀，它采用射頻負(fù)壓軟等離子法預(yù)氧化PAN原絲，接著用微波加熱法碳化，最后用射頻加感謝閱讀熱法石墨化形成小絲束碳纖維三、碳纖維的發(fā)3.1國外發(fā)以PAN碳纖維為例，該纖維國際上研發(fā)已有30年左右，目前世界碳纖維的生產(chǎn)能力感謝閱讀在3.4～3.8萬噸左右，主要集中在日本、英國、美國、法國、韓國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家和我國精品文檔放心下載臺灣省。日本三家以腈綸纖維為主要產(chǎn)品的公司（東麗、東邦以及三菱人造絲公司）依靠感謝閱讀其先進(jìn)的紡絲科學(xué)技術(shù)，形成了高性能原絲生產(chǎn)的優(yōu)勢，大量生產(chǎn)高性能碳纖維，使日感謝閱讀本成為碳纖維大國，無論質(zhì)量還是數(shù)量上都處于世界前三位，三大集團(tuán)占據(jù)了世界75%以精品文檔放心下載上的產(chǎn)量3.2國內(nèi)發(fā)我國聚丙烯腈基碳纖維的研究開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)由于碳纖維作為重要的精品文檔放心下載軍工產(chǎn)品，國外對我國進(jìn)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，使得當(dāng)時(shí)我國聚丙烯腈基碳纖維基本上以自主謝謝閱讀研究開發(fā)為主。1976年中科院山西煤化所建成第一條聚丙烯腈基碳纖維中試生產(chǎn)線，生產(chǎn)精品文檔放心下載出高強(qiáng)I型碳纖維，其產(chǎn)品性能基本達(dá)到日本東麗公司的T200。繼而從“六五”開始試制高感謝閱讀強(qiáng)Ⅱ型碳纖維(相當(dāng)于T300)，但到目前為止產(chǎn)品性能指標(biāo)仍未達(dá)到T300標(biāo)準(zhǔn)。吉林石化感謝閱讀公司在采用硝酸一步法生產(chǎn)原絲的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出性能基本接近T300的碳纖維，但精品文檔放心下載該法對環(huán)境污染較大，因而現(xiàn)已放棄。由于種種原因我國碳纖維發(fā)展緩慢，表現(xiàn)為生產(chǎn)規(guī)感謝閱讀模小、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品規(guī)格少、品種單一、沒有高性能產(chǎn)品、技術(shù)設(shè)備落后，大多感謝閱讀沒有形成規(guī)模效益，這些成為制約我國碳纖維發(fā)展的瓶頸近些年來，隨著我國整體實(shí)力的不斷提升，對碳纖維的需求量也與日俱增，而我國碳感謝閱讀纖維現(xiàn)階段大部分依賴進(jìn)口，2004年全國碳纖維用量為4000噸，國內(nèi)實(shí)際產(chǎn)量僅為1O精品文檔放心下載多噸，而且無論是質(zhì)量還是規(guī)模與國外相比差距都很大。另據(jù)估測2009年我國碳纖維需感謝閱讀求將達(dá)到7500噸，這表明我國碳纖維嚴(yán)重供不應(yīng)求。盡管目前國際社會碳纖維的制造技精品文檔放心下載術(shù)與產(chǎn)品對華出口有所松動(dòng)，通用級碳纖維進(jìn)口渠道已經(jīng)開通，但高性能碳纖維對我國依謝謝閱讀然限制。近年來，由于我國對碳纖維需求的日益增加，聚丙烯腈基碳纖維又成為國內(nèi)新材料業(yè)精品文檔放心下載研發(fā)的熱點(diǎn)，如上海石化公司準(zhǔn)備采用NaSCN一步法生產(chǎn)數(shù)千噸PAN基原絲。上海星樓精品文檔放心下載實(shí)業(yè)有限公司擬建立400噸/年大絲束碳纖維生產(chǎn)線，上海市合纖所采用亞砜兩步法研制和感謝閱讀小批量生產(chǎn)PAN基原絲以及碳纖維，上海碳素廠也有小型碳化線及碳纖維下游產(chǎn)品。安精品文檔放心下載徽華皖集團(tuán)(原蚌埠燈芯絨集團(tuán)公司)建立500噸/年P(guān)AN原絲和200噸/年碳纖維生產(chǎn)線，謝謝閱讀其PAN原絲采用亞砜一步法，技術(shù)由國外引進(jìn)，產(chǎn)品以12K的T300級碳纖維為主，并準(zhǔn)謝謝閱讀備引進(jìn)成熟的預(yù)浸料生產(chǎn)線。廣西桂林市化纖總廠擬建200噸/年碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)品為精品文檔放心下載3-12K的小絲束碳纖維。山東天泰碳纖維有限責(zé)任公司將建立400噸/年生產(chǎn)線，碳纖維性精品文檔放心下載能為T300級水平，產(chǎn)品以12K為主。青島化工學(xué)院高分子工程材料研究所(恒晨公司)將謝謝閱讀建立50噸/年左右的碳纖維生產(chǎn)線。江蘇揚(yáng)州與中國科學(xué)院山西煤炭研究所也計(jì)劃合作建謝謝閱讀立高性能聚丙烯腈原絲和碳纖維的生產(chǎn)中試基地。吉林石化公司放棄了以前采用硝酸一步謝謝閱讀法生產(chǎn)原絲的技術(shù)，與北京化工大學(xué)合作承擔(dān)了國家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，共同研究開發(fā)感謝閱讀二甲基亞砜法高性能聚丙烯腈原絲生產(chǎn)技術(shù)，并將充分依靠自己的技術(shù)建立500噸/年原絲感謝閱讀和200噸/年碳纖維生產(chǎn)線。蘭化集團(tuán)化纖廠已有100噸/年原絲生產(chǎn)線和預(yù)氧化生產(chǎn)裝置謝謝閱讀，計(jì)劃配套碳化裝置生產(chǎn)碳纖維，原絲采用NaSCN一步法，該廠的腈綸生產(chǎn)線是我國從感謝閱讀國外最早引進(jìn)的，有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。吉林碳素廠是我國小絲束碳纖維生產(chǎn)基精品文檔放心下載地，已向用戶提供50余噸小絲束碳纖維。目前，該廠正在建立新的小絲束碳纖維生產(chǎn)線謝謝閱讀，擴(kuò)大產(chǎn)量，以滿足市場需求。此外，山西榆次化纖廠是我國唯一用亞砜一步法生產(chǎn)PAN精品文檔放心下載基原絲達(dá)數(shù)十年的單位，目前仍在生產(chǎn)。大連興科碳纖維有限公司已建成380噸/年生產(chǎn)線感謝閱讀，是目前我國唯一實(shí)現(xiàn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，位居大陸首位，并在世界排名第十一，據(jù)感謝閱讀專家評價(jià)該公司實(shí)際擁有年產(chǎn)量800噸的生產(chǎn)能力，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類精品文檔放心下載產(chǎn)品先進(jìn)水平3.3存在問題和差一是國內(nèi)PAN碳纖維總生產(chǎn)能力較小，實(shí)際生產(chǎn)量僅30～40噸/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國感謝閱讀內(nèi)的需要（約5000～6000噸），目前我國95%的碳纖維依靠進(jìn)口；二是與國際先進(jìn)水平感謝閱讀相比，國產(chǎn)碳纖維強(qiáng)度低（僅相當(dāng)于東麗公司已基本決定淘汰的T300水平），均勻性、謝謝閱讀穩(wěn)定性差（強(qiáng)度、模量、線密度的CV值均為國外產(chǎn)品的一倍以上），毛絲多（斷頭率為感謝閱讀國外產(chǎn)品的6倍），品種單一且價(jià)格昂貴（為國外產(chǎn)品的1.5～3倍），發(fā)展水平總體落后感謝閱讀發(fā)到國家近20～30年；三是廠家、裝置規(guī)模小，技術(shù)設(shè)備落后，經(jīng)濟(jì)效益差感謝閱讀四、產(chǎn)業(yè)分4.1世界碳纖維市4.1.1世界碳纖維擴(kuò)產(chǎn)加2003年以前碳纖維基本供大于求，屬于買方市場，當(dāng)時(shí)工業(yè)用普通模量級12K碳纖精品文檔放心下載維價(jià)格僅12美元/公斤，但到了2004年形勢突變，碳纖維一下子由買方市場變?yōu)橘u方市場謝謝閱讀，價(jià)格一路攀升，2005年翻了好幾倍，2006年更是處于有價(jià)無市的情況，這給碳纖維廠謝謝閱讀家?guī)砹穗y得的發(fā)展機(jī)遇。從2004年開始全球碳纖維廠家興起了一輪擴(kuò)產(chǎn)熱潮謝謝閱讀日本東麗集團(tuán)公2004年4月陸續(xù)開始了一系列擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目，見表5精品文檔放心下載2004年4月12日宣布日本Ehime擴(kuò)產(chǎn)2200噸/年，2007年1月開始運(yùn)轉(zhuǎn)精品文檔放心下載2004年4月14日宣布法國Soficar擴(kuò)產(chǎn)800噸/年，2007年10月開始運(yùn)轉(zhuǎn)精品文檔放心下載2004年4月26日宣布美國CFA擴(kuò)產(chǎn)1800噸/年，2006年初開始生產(chǎn)精品文檔放心下載2008年還將分別在日本和美國各擴(kuò)產(chǎn)1800噸/年感謝閱讀2008年東麗公司碳纖維產(chǎn)能將達(dá)到17500噸/年，差不多是2005的兩倍。計(jì)劃到2010精品文檔放心下載年，東麗公司全球碳纖維市場的占有率要從2004年的34%提高到40%。2005年東麗還和感謝閱讀波音公司協(xié)議，今后17年內(nèi)東麗將提供29億美元的碳纖維(主要是T700)給波音公司，用謝謝閱讀于B-787的生產(chǎn)。表5：東麗集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃單位：精品文檔放心下載地200200200200200日本（Ehime4704704704700+220690法國（Saficar2602602602600+803400+180美國（CFA1801801800+1803603600+180總910910109013901750日本帝人東邦集團(tuán)公東邦集團(tuán)緊隨其后，從2004年8月開始進(jìn)行了一系列收購和擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃感謝閱讀2004年8月31日宣布收購美國Fortfil全部3500噸/年大絲束碳纖維生產(chǎn)線，將其改精品文檔放心下載造成700噸/年小絲束，1700噸/年預(yù)氧化纖維，保留1300噸/年大絲束碳纖維感謝閱讀2008年東邦集團(tuán)碳纖維產(chǎn)能11800噸/年，其中小絲束10500噸/年。大絲束1300噸/感謝閱讀年。總產(chǎn)能仍居世界第二，見表6表6：東邦集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)200200200200200日RT370RT370RT370RT3703700+270德RT190RT190RT1900+150RT340RT340美LT350RT70RT70RT70RT70LT130LT130LT130LT130總9107609109101180RT560RT630RT780RT780RT1050LT350LT130LT130LT130LT130日本三菱人造絲集團(tuán)公日本三菱集團(tuán)也加快了擴(kuò)產(chǎn)步伐，從2005年到2007年，3年內(nèi)碳纖維產(chǎn)能將增加72%，謝謝閱讀接近或趕上東邦的產(chǎn)能，見表72005年4月，宣布增加日本生產(chǎn)線產(chǎn)能2200噸/年；2007～2008年完成感謝閱讀2005年l0月，宣布三菱和SGL結(jié)成碳纖維聯(lián)盟，三菱提供技術(shù)和原絲，在SGL蘇格感謝閱讀蘭生產(chǎn)線生產(chǎn)碳纖維，2006年二季度開始生產(chǎn)，三菱的回報(bào)是500～700噸/年碳纖維謝謝閱讀2005年底計(jì)劃完成美國Grafil擴(kuò)產(chǎn)500噸/年的任務(wù)感謝閱讀2008年三菱集團(tuán)碳纖維產(chǎn)能將達(dá)到7900～81O0噸/年。由于三菱碳纖維此前尚未取得謝謝閱讀適航認(rèn)可，只能用于工業(yè)和體育休閑用品，公司努力爭取2005年取得AirbusA380認(rèn)可謝謝閱讀，使其碳纖維在宇航工業(yè)得到應(yīng)用表7：三菱集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)200200200200200日3203203203200+220540美國Grafi1501501500+50200200歐洲SG500～70500～70500～70總4704705500～5707900～8107900～810此外，中國臺灣臺塑集團(tuán)2005年5月24日宣布擴(kuò)大碳纖維產(chǎn)能，從1850噸/年增加到謝謝閱讀2950噸/年，2006年12月完成美國Hexcel公司2005年11月16日宣布在西班牙馬德里附近建碳纖維廠，另外美國謝謝閱讀猶塔工廠也增加碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)能增加大約50%，即從2270噸/年增加到3300噸/年，精品文檔放心下載2006～2007年完成。目標(biāo)很明確，針對A380、A350和B787對碳纖維的大量需求精品文檔放心下載Zoltek公司2006年1月3日報(bào)告，希望碳纖維產(chǎn)能從2006年的4080噸/年增加到謝謝閱讀2007年8620噸/年。從2004年l2月l6日開始和世界最大的風(fēng)能廠家Vistas等協(xié)議，為他精品文檔放心下載們提供風(fēng)電葉片用大絲束碳纖維美國Cytec公司準(zhǔn)備耗資超過l0億美元建立新的碳纖維生產(chǎn)線，目前在選址和設(shè)計(jì)選感謝閱讀擇，計(jì)劃2009年開始工作綜上所述，從2005年到2008年全球PAN基碳纖維產(chǎn)能將從34050噸/年增加到感謝閱讀61500噸/年，增長80.6%，平均年增長率20%，詳見表8。如此顯著的增長速度，將會對感謝閱讀供需矛盾產(chǎn)生影響。表8：世界PAN基碳纖維名義能力單位：感謝閱讀200200200200200Tora小絲910910109013901750大絲3030303030TohoTena小絲5606307807801050大絲350130130130130MR小絲4705205707800～8107900～810Hexce小絲200200230280330Cyte小絲180180180180380中國臺灣臺小絲1851851852952950Zolte大絲23033065011101110SG大絲190190190190190Technolog大絲100100100100100小小絲25052625303537154590大絲900780110015601560總34053405413552576150增長百分21.402716.604.1.2碳纖維供需狀況將趨于緩根據(jù)表9和圖1、圖2對碳纖維產(chǎn)能和需求的預(yù)測分析可以看出，2005年全球碳纖維謝謝閱讀供小于求，按ChrisRed的預(yù)測缺口約2000噸，Toray預(yù)測缺口近3000噸，中國臺灣臺塑感謝閱讀預(yù)測缺口也有約1000噸，這就是2005年碳纖維緊張的說明。2006年雖然碳纖維廠家紛紛謝謝閱讀擴(kuò)產(chǎn)，其供應(yīng)量應(yīng)較需求量大，但是擴(kuò)產(chǎn)部分要到2006年底或2007年初才能上市供應(yīng)，精品文檔放心下載且超過部分有限，仍不能滿足用戶要求。因此2006年碳纖維供應(yīng)仍然緊張。2007年以后感謝閱讀全球碳纖維產(chǎn)量將明顯增加，擴(kuò)量部分陸續(xù)上市，供應(yīng)量顯著超過需求量，供需矛盾得到精品文檔放心下載緩解，緊張狀況將會所改變表9：世界PAN基碳纖維的供需預(yù)測單位：年世界碳纖維產(chǎn)能預(yù)測（供世界碳纖維需求預(yù)名義產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)ChrisRed預(yù)東麗預(yù)東邦預(yù)1按75%名義能2按65%名義產(chǎn)需按實(shí)際產(chǎn)能1供需差按實(shí)際產(chǎn)能2供需差20034052553221321903632322002003405255322132407146-1942500208220041353101268726504513724052005275395634282920103550830002678200615046123997322213907753400303920034512013775圖1：ChrisRed對世界碳纖維的供應(yīng)與需求分感謝閱讀圖2：中國臺灣臺塑對世界碳纖維的供應(yīng)和需求分4.2中國碳纖維市（1）需求增長快。我國碳纖維現(xiàn)階段絕大部分依賴進(jìn)口，2004年全國碳纖維用量為感謝閱讀4000噸，2005年用量約5000噸，年增長率在20%以