碳纤维的产业现状及发展

　　论文关键词：碳纤维工艺技术供需情况发展
　　论文摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0。9以上。
　　一、碳纤维的性能
　　1。1分类
　　通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。
　　1。3应用领域
　　由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。
　　二、生产工艺
　　通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体原丝预氧化丝碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈（PAN）纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法（干法和湿法纺丝）。
　　〔1〕
　　2。1干喷湿纺法
　　干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层（亦叫干段），再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现高速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。
　　干喷湿纺装置常为立式喷丝机，从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段（干段）后进入凝固浴，完成干喷湿纺过程；再经导向辊、离浴辊引出的丝条经后处理得到PAN纤维。
　　离开喷丝板后的纺丝液细流先经过空气层（干段）再进入凝固浴，干段很短，但对凝固相分离和成纤结构有着重大影响，在空气层，挤出的纺丝液细流中的溶剂急速蒸发，表面形成了薄薄致密层，细流进入凝固浴后可抑制双扩散速度；由于在喷丝板出口处产生膨胀效应，靠细流自身的重力以及牵伸力向下流动，然后经干喷湿纺的正牵伸可使胀大部分被牵伸变细后进入凝固浴；凝固浴采用低溶剂质量分数配比和低温凝固，低溶剂质量分数配比可加大溶剂与细流之间的质量分数差，加速扩散；低温可抑制扩散速度，利于沉淀结构致密化、均质化，最终纺出的原丝和所制碳纤维表面较平滑而无沟槽。
　　与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝，大幅提高了纤维的抗拉强度，可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。
　　2。2射频法
　　国内有自主知识产权的射频法碳纤维石墨化生产工艺开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。
　　三、碳纤维的发展
　　3。1国外发展
　　以PAN碳纤维为例，该纤维国际上研发已有30年左右，目前世界碳纤维的生产能力在3。43。8万吨左右，主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国省。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司（东丽、东邦以及三菱人造丝公司）依靠其先进的纺丝科学技术，形成了高性能原丝生产的优势，大量生产高性能碳纤维，使日本成为碳纤维大国，无论质量还是数量上都处于世界前三位，三大集团占据了世界75以上的产量。
　　3。2国内发展
　　〔2〕
　　3。3存在问题和差距
　　四、产业分析
　　4。1世界碳纤维市场
　　4。1。1世界碳纤维扩产加速
　　日本东丽集团公司
　　2004年4月陆续开始了一系列扩产项目，见表5。
　　2008年还将分别在日本和美国各扩产1800吨年。
　　〔3〕
　　表5：东丽集团碳纤维扩产计划单位：吨
　　日本帝人东邦集团公司
　　东邦集团紧随其后，从2004年8月开始进行了一系列收购和扩产计划：
　　2004年8月31日宣布收购美国Fortfil全部3500吨年大丝束碳纤维生产线，将其改造成700吨年小丝束，1700吨年预氧化纤维，保留1300吨年大丝束碳纤维。
　　2008年东邦集团碳纤维产能11800吨年，其中小丝束10500吨年。大丝束1300吨年。总产能仍居世界第二，见表6。
　　表6：东邦集团碳纤维扩产计划
　　日本三菱人造丝集团公司
　　日本三菱集团也加快了扩产步伐，从2005年到2007年，3年内碳纤维产能将增加72，接近或赶上东邦的产能，见表7。
　　2005年4月，宣布增加日本生产线产能2200吨年；20072008年完成。
　　2005年l0月，宣布三菱和SGL结成碳纤维联盟，三菱提供技术和原丝，在SGL苏格兰生产线生产碳纤维，2006年二季度开始生产，三菱的回报是500700吨年碳纤维。
　　2005年底计划完成美国Grafil扩产500吨年的任务。
　　表7：三菱集团碳纤维扩产计划
　　美国Cytec公司准备耗资超过l0亿美元建立新的碳纤维生产线，目前在选址和设计选择，计划2009年开始工作。
　　〔4〕
　　表8：世界PAN基碳纤维名义能力单位：吨
　　表9：世界PAN基碳纤维的供需预测单位：吨
　　图1：ChrisRed对世界碳纤维的供应与需求分析
　　图2：中国台湾台塑对世界碳纤维的供应和需求分析
　　〔5〕
　　4。2中国碳纤维
　　（2）产能瓶颈明显。我国除了华皖碳纤维及少数科研院所具有完整的产业链外，绝大部分企业仅仅具有部分碳纤维及其制品的生产工艺。安徽华皖碳纤维有限公司目前已经顺利完成200吨碳纤维及500吨碳纤维原丝的生产装置的安装，2007年还计划开工建设800吨碳纤维及1800吨碳纤维原丝二期项目。
　　五、发展对策和措施
　　近年来，中国复合产业有了很大的进步，已成为碳纤维复合材料应用大国。但是我国大陆碳纤维长期依赖进口，受治于人，面对当前严峻的形势，必须采取行之有效的措施。
　　（1）坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路。碳纤维是军需战略物资，是国防建设、先进武器不可或缺的关键材料，不可能也不应该长期依赖进口。15年前美国国防部就下决心民用碳纤维可以从国外进口，国防所需的碳纤维必须国内自行生产。中国更不能长期从国外进口国防工业所需要的碳纤维。德国、法国虽然也生产碳纤维，但是碳纤维的核心原丝技术牢牢掌握在日本人手中，至今德国和法国得不到PAN原丝技术。因此中国不可能引进国外先进的碳纤维制造技术，只能自力更生，依靠自己，别无出路。
　　（2）坚持应用中改进提高是碳纤维发展的科学规律。
　　（3）产、研、用密切配合是提高国产碳纤维性能的有效途径。
　　（4）采取替代材料、混杂技术等措施渡过难关。