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国产“大丝束”开启碳纤维产业新蓝海

2022-11-24 14:35:41|图文来源:科技日报

或将带动千亿级复合材料市场规模

国产“大丝束”开启碳纤维产业新蓝海

 大丝束碳纤维的每一根丝束都有4.8万根纤维,每一根纤维的直径只有头发丝直径的1/7到1/8。上海石化研发生产的大丝束碳纤维,是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料。其力学性能优异,比重不到钢的四分之一,强度却是钢的7—9倍,并且还具有耐腐蚀的特性。

碳纤维是新一代增强纤维,被称为“新材料之王”“黑黄金”,可广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域。按丝束规格的不同,可以将其分为小丝束碳纤维和大丝束碳纤维。长期以来,我国主要在小丝束碳纤维方面实现了突破。随着我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在中国石化上海石化碳纤维产业基地投料开车,并生产出性能媲美国外同级别产品的合格产品,我国大丝束碳纤维也从关键技术突破、工业试生产、产业化,成功走向规模化和关键装备国产化,一举破除了我国碳纤维生产和装备受制于人的被动局面。

发展“大丝束”可降低碳纤维成本

众所周知,碳纤维是新能源、节能环保、高端装备制造、新能源汽车等战略性新兴产业发展的基础,也是重大基础设施建设的新型结构材料,更是大型飞机、卫星、船舶等装备研制和更新换代的重要基础。

在业内,通常将每束碳纤维根数大于4.8万根(简称48K)的称为大丝束碳纤维。

“它每一根丝束都有4.8万根纤维,每一根纤维的直径只有头发丝直径的1/7到1/8。我们把碳纤维从特制的像花洒一样的纺丝喷头中喷出、挤出后,再对其进行像拉面条一样的牵伸就形成了大丝束碳纤维原丝。”中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)碳纤维事业部副总经理李鹏介绍。

目前,国内每束碳纤维基本处于1000根至1.2万根之间,这样的碳纤维被称为小丝束碳纤维。但是由于小丝束碳纤维成本高,影响了下游企业应用碳纤维的积极性。

“我们发现如果要推广碳纤维实现工业化的应用,一定要发展‘大丝束’。”上海石化副总经理黄翔宇强调,我们在开发过程中发现48K大丝束碳纤维的优势是在相同的工艺条件下,能够大幅度地提高碳纤维的单线的生产能力,如果控制得好,它的质量性能也能得到保证,这样就能够实现低成本,从而打破了碳纤维高昂价格带来的应用局限。

用“中国技术”生产性能优异的碳纤维

碳纤维技术有着森严的技术壁垒,此前大丝束碳纤维生产技术主要掌握在美国、德国、日本的几家大公司手中。中国石油化工集团有限公司(以下简称中国石化)是国内第一家、全球第四家掌握大丝束碳纤维技术的企业。

大丝束碳纤维研发难在哪?上海石化相关技术负责人介绍,主要难点包括大丝束碳纤维制备过程中氧化反应放热的有效控制、一束丝4.8万根碳纤维的纺丝均匀稳定性控制,以及生产线连续运行周期和稳定性。

黄翔宇介绍,为了在大丝束碳纤维制备中真正用上“中国技术”,上海石化从装备到工艺,为大丝束碳纤维量身定制了专用生产线,如根据大丝束碳纤维的生产要求自行设计氧化炉、碳化炉,不仅成功掌握了控制温度场的关键技术,而且进行了节能型设计,可实现能源综合利用。

此外,上海石化采用聚合物分子链结构调控技术获得良好热性能原丝,系统研究纺丝原液流变性能保证原丝质量稳定性,开发特殊的连续生产技术,大大减少停车次数,极大提高生产效率。

上海石化研发生产的大丝束碳纤维,是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料。其力学性能优异,比重不到钢的四分之一,强度却是钢的7—9倍,并且还具有耐腐蚀的特性。

国产大丝束碳纤维已开始产业化布局

上海石化首条48K大丝束碳纤维国产线可实现规模化、高品质生产。该项目计划于2024年全部建成投产,届时将达到2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年大丝束碳纤维产能。

自主研发大丝束碳纤维生产线投产,将给整个碳纤维市场带来哪些影响?专家分析,首先随着碳纤维国产化的不断推进,对市场最大的影响是进口碳纤维价格的下降。

数据显示,随着国内碳纤维国产化的推进,进口碳纤维价格预计将从最高每吨4.5万美元降至每吨1万美元左右,这对于全产业链应用来说是一个利好消息。

数据显示,2021年全球碳纤维需求量约为11.8万吨,其中大丝束碳纤维需求量为51400吨,占比约43.5%。2021年我国碳纤维需求量达到6.24万吨,较2020年增加27.7%,占全球碳纤维需求量的53%。专家表示,碳纤维在新能源、风电、光伏、汽车、体育用品等下游市场的应用需求将逐渐爆发, 渗透率不断提升。

业内专家称,中国碳纤维行业正处于快速发展阶段,根据目前各企业已宣布的投资扩产计划,如果所有建设项目可以顺利投产落地,“十四五”末期,中国新增碳纤维产能将达21万吨以上,其中新增大丝束碳纤维产能达17.6万吨,中国大丝束产能扩张时代将随之开启。

科技日报记者了解到,中国石化实现大丝束碳纤维量产之后,已经开始寻求和新能源汽车企业的合作,通过使用轻量化的碳纤维零部件,增加新能源汽车的续航里程。

“我们和蔚来有框架合作协议,和比亚迪也有合作。我们在做汽车轻量化的工作,已经进入了产业化布局。”中国石化首席专家庄毅说。

中国复合材料工业协会秘书长孟弋洁表示,2030年,我国大丝束碳纤维产值应该能达到500亿元量级,将带动千亿级的复合材料市场规模。

除了大丝束碳纤维的研发和生产,中国石化也正大力推进碳纤维复合材料的研发和应用。中国石化有关负责人表示,在未来的碳纤维产业发展中,中国石化将在科研方面继续加大投入,产业方面加快布局,机制体制方面深化创新,应用场景全面推广,同时,坚持走自己的道路,做自己的特色产品。在“十四五”末,中国石化将在多种工艺流程实现通用级、大丝束、小丝束、高性能等产品的全面突破,进行总体布局,满足国家各个领域的需求,为引领和推动中国碳纤维产业发展作出贡献。(记者 操秀英)

延伸阅读

全球碳纤维需求量持续增长

根据赛奥碳纤维《2016—2021全球碳纤维复合材料市场报告》,从全球的维度来看,碳纤维需求量从2016年的7.65万吨增至2021年的11.8万吨,复合年均增长率(CAGR)为9.02%,2021年同比增速从2020年的3.05%提升至10.42%,2025年预计全球需求量达20万吨。从国内的维度来看,碳纤维需求量从2016年的1.96万吨增至2021年的6.24万吨,CAGR为26.06%,2021年的同比增速高达27.69%,2025年预计国内需求量为15.93万吨。从应用领域来看,2021年全球和国内碳纤维的主要应用领域均是风电叶片。2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域分别是风电叶片(27.97%)、体育休闲(15.68%)和航空航天(13.98%);而国内占比前三的领域分别是风电叶片(36.07%)、体育休闲(28.05%)和碳/碳复材(11.22%)。风电叶片、体育休闲、航空航天、碳/碳复材等领域的需求占据了碳纤维市场需求的主要部分。

责任编辑:陈岑