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碳纤维产业:技术提升在路上
/文 2014/10/29
6月28日,中复神鹰碳纤维公司举办“年产3500吨高性能纤维”项目剪彩仪式。依据自身成熟的干喷湿纺工艺以及技术装备优势,中复神鹰公司在原有碳纤维生产能力的基础上,继续扩大生产规模,新建年产3500吨碳纤维生产线三条,计划在3年内完成建设并进入投产,项目总投资达10亿元。作为碳纤维生产龙头企业,中复神鹰公司在技术和产业化上的一项项突破也反映了我国碳纤维技术的不断提升。
碳纤维是高性能纤维中的代表品种,是国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料,其应用领域宽广,技术含量高、辐射面广、带动力强。有关预测显示,碳纤维的需求预计将以每年15%以上的速度扩大。预计5年后,市场将扩大到现在的2倍以上。到2030年,我国碳纤维需求量将达到30万~50万吨。快速增长的市场需求以及对发展战略性新兴产业的使命感,使不少企业投身碳纤维研发生产领域,迈开了追赶发达国家的步伐。2005年后,随着国家出台相关扶持政策,碳纤维产业驶上发展快车道。
目前,我国已掌握T300级碳纤维工业化生产技术,基本掌握T700级碳纤维工业化生产技术。但与发达国家相比,在产品的稳定性、可靠性和经济性上仍有差距,高端产品的产业化技术仍为空白。碳纤维技术的成熟和提升仍任重而道远。
 
突破不断
10多年来,我国碳纤维行业在关键技术、装备、产业化生产及下游应用等方面均取得重大进展,千吨级工业化装置陆续建成并投产,初步建立了从原丝、碳纤维到复合材料及制品全产业链,实现了从无到有的转变。
目前,我国已经培育出中复神鹰碳纤维有限公司、江苏恒神碳纤维有限公司、吉林化纤碳谷碳纤维有限公司等龙头企业,碳纤维产能达到2万余吨。我国目前已初步形成了碳纤维产业基础,培养了技术人才队伍,具备了大规模产业化的能力。
中复神鹰公司是目前国内市场仅有的能批量化、规模化生产T700高性能碳纤维的企业。2010年,中复神鹰启动了干喷湿纺技术的研发。经过3年多的技术攻关,攻克了均匀化的大型聚合釜聚合导热体系、稳定化的干喷湿纺空气层扰动控制、均质化的凝固浴成型、高效的蒸汽牵伸以及稳定节能的预氧化碳化等关键技术难题,于2012年下半年实现了干喷湿纺T700碳纤维的批量生产,并于2013年9月,公司通过了中国纺织工业联合会组织的“干喷湿纺GQ45高性能碳纤维工程化关键技术及设备研发”科技成果鉴定,产品性能指标达到了国外同类产品水平。同年,T700高性能碳纤维被列为“国家战略性创新产品”。
中复神鹰此次启动的“年产3500吨高性能碳纤维”项目,均为干喷湿纺工艺生产的T700、T800等高性能纤维,主要用于满足国内高、精、尖等领域。项目落成后,中复神鹰将形成原丝15000吨/年及碳纤维6000吨/年生产力,是我国最大的碳纤维生产基地。
6月13日,吉林省碳纤维产业技术创新战略联盟成立大会暨碳纤维及制品高新技术特色产业基地揭牌仪式在吉林市举行。吉林省碳纤维产业技术创新战略联盟由吉林化纤公司发起,吉林省内36家碳纤维企业、大专院校和科研单位参加。该联盟致力于围绕碳纤维产业链建立有效的产、学、研合作新机制,共同解决制约碳纤维产业发展的技术瓶颈,加快技术成果在联盟间的转移和转化,有效提高碳纤维产业的整体技术水平。
吉林省碳纤维及制品高新技术特色产业基地聚集了吉林化纤集团碳谷公司、吉林方大江城碳纤维公司、吉研高科技纤维有限公司等18家骨干企业,形成了国内“碳纤维原丝—碳纤维—碳纤维制品”的较完整的产业链条,碳纤维原丝产能达到5400吨/年,碳纤维产能达到818吨/年,碳纤维产品规格涵盖1K至48K不同级别,生产技术及产品质量均居国内领先水平。
 
差距仍存
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
尽管技术不断进步,然而我国碳纤维生产技术和装备水平整体落后的局面目前并没有得到根本改观,还无法满足国防军工和航空航天等高端领域的全部需要。
日本仅东丽一家公司的产能就接近2万吨,抵得上我国全部30多家企业的产能。目前国内只能稳定生产T300规格的产品,T700、T800等高规格产品刚刚取得突破,部分碳纤维生产企业还在进行工程化技术研究。而日本企业能够生产包括T700、T800、T1000、T1100在内的系列产品。中国化学纤维工业协会副会长赵向东坦言,这几年我国碳纤维产业进步很快,但是总体而言,还没有完全掌握碳纤维的核心技术,离具备国际竞争力的工业化水平还有较大差距。
北京化工大学国家碳纤维工程技术研究中心主任徐樑华分析认为,总体来说,我国碳纤维工艺技术的多元化体系建设尚不完善,代表现阶段碳纤维国产化水平的研发与工程化产业化技术基本依赖于二甲基亚砜原丝技术,其他原丝技术的发展相对滞后。国产碳纤维在品种、规格和型号方面还没有形成系列化,高端产品缺乏。
徐樑华认为,我国T300级碳纤维虽然建立了产业化规模,但产品稳定性、可靠性仍有待于进一步提高,尤其是达产能力及达产基础上的质量稳定性亟须技术攻关。他指出,我国企业的产品稳定性理念有意或无意地出现了偏差,实际上生产过程中的产品质量稳定性并不能等同于提供给用户的产品批次稳定性。不同批次的产品质量存在较大差异,给用户带来影响。T700级新一代高强碳纤维工程化技术实现了突破,但整体规模与产品性能与国际先进水平还存在差距;T800级高强中模和基本型高模及MJ高模高强碳纤维品种的工程化或产业化技术仍为空白,其工程化制备关键技术亟须突破;更高等级的高强中模和高模高强碳纤维制备关键技术亟待组织攻关。
 
应用牵引
在分析目前制约我国碳纤维技术提升的主要因素时,徐樑华指出,工艺仿制式的国产碳纤维工程化建设导致我国碳纤维自主研发能力偏弱。占主流的二甲基亚砜原丝工艺10多年来未得到实质性的技术改良与升级,相同的工艺基因导致国产碳纤维的技术与质量问题具有共性。
另一方面由于缺乏对工艺的深层次研究,工艺对国产化装备的设计指导较弱,装备与工艺的协同水平低,造成产能释放能力低、耗能偏高、运行稳定性差、寿命周期短等问题。而相对落后的装备技术,也导致产品性能稳定性差、生产成本偏高,产业整体竞争优势欠缺。
此外,产学研联合机制运行不畅,潜心技术研发的力量缺乏,导致关键技术协同攻关、深层次工艺问题解决的成效低下,影响了碳纤维制备产业化技术成熟度的快速提升。
徐樑华认为,从碳纤维产业链来看,下游碳纤维复合材料应用对国产碳纤维的牵引效应不足。由于我国碳纤维产业化技术成熟度不高,复合材料应用单位在完成国家项目任务后存在恢复使用进口碳纤维的可能。这样,碳纤维企业就将失去技术与产品“社会实践”的机会。
针对这些问题,徐樑华提出应突出重点,以点带面,兼顾不同工艺特色,发展并完善我国碳纤维及其复合材料研发与工程化研究的技术体系。碳纤维质量的提升靠国防军工牵引,而产业化技术提升应靠在国民经济领域的广泛应用来推动,建立以企业为主体的创新体系,根据碳纤维制备的技术特点,合理布局区域发展和产业链发展模式。发展两种或两种以上不同溶剂路线的碳纤维原丝制备工艺,形成碳纤维制备的多元化技术体系。实现高强、高强中模和高模高强等主要系列碳纤维制备及工程化技术的全面突破,产品实现工程应用。培育扶植3~4家具有经济、技术、人才持续发展潜力的企业实现多品种多系列的碳纤维生产技术集成,实现品种多元化、产能规模化,增强企业的竞争力和抗风险能力。建设碳纤维在不同领域的示范应用工程,碳纤维制备技术推进与应用市场需求牵引相结合,形成技术与产业的良性发展态势。 
山东大学碳纤维复合材料研发中心主任朱波也表示,碳纤维的产业化过程是一个长的产业链和技术链,在工程化中涉及诸多环节和众多关键问题,应在设备国产化,系统规划与设计,工艺装备一体化,创新开发新工艺,降低生产成本,复合材料系列化开发等方面实现突破和提升,并做好技术研发与生产应用的无缝对接。目前我国碳纤维的工程化需要市场导向、国家支持、企业投入、科研支撑,但只要持之以恒地推进,必然会得到大力推广和应用。
 
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