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决定碳纤维性能的关键环节——原丝
时间:2022年04月06日 来源:天风证券  作者:佚名 浏览次数:

1原丝是碳纤维关键半成品:决定最终碳纤维性能,成本中占比超50%
(1)原丝具有碳纤维性能决定性:在原丝生产阶段,会因为工艺细节与材料配比的区别产生一定程度的空隙、毛丝、丝线不均一等问题, 原丝的这些缺陷并不会在碳化阶段中消失。好的碳纤维应该具备均一性特质,遗传了原丝的缺陷之后,每段碳纤维的均一性会出现 差异,造成碳纤维拉伸强度不足。所以成品碳纤维的质量直接取决于用于生产碳纤维的原丝质量。虽然碳纤维可以结合树脂材料可以通过改变浸渍法、温度、步骤等程序控制碳纤维性能,但在原丝制造过程中,也可以通过添加气体,液体和其他材料,为碳纤维中创建各种特性应用于不同下游。所以从原丝阶段做起更加能够生成特定性能更优的定制化碳纤维产品。
(2)原丝的成本占比高:从碳纤维成本来看,原丝在碳纤维中的占比达到了51%,是第二成本占比碳化的两倍以上,所以碳纤维的成本直接取决于原丝的成本,半成品原丝也是碳纤维未来实现降本目标收益最高的渠道。
(3)PAN原丝的性能主要取决于其中的PAN分子的结构和排列形式,其中PAN分子结构的控制主要集中在聚合工艺,而PAN分子的排列形式则主要在纺丝工艺中形成。所以性能优良的碳纤维,首先要具备性能优良的PAN原丝。

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原丝的两个关键步骤-聚合:一步法稳定性强、速度慢:两步法产能弹性大、速度快
(1)聚合工艺主要分为两种,均相溶液聚合(一步法)和非均相溶液聚合(两步法):一步法指所用溶剂既能溶解单体、又能溶解生成的聚合物,因此反应完成后聚合液可直接用作纺丝。两步法指溶剂只能溶解单体而不能溶解生成的聚合物(一般采用水作为介质,又称水相沉淀聚合),纺丝前再用溶剂重新溶解聚合物制成纺丝溶液。
(2)从生产弹性和速度来考虑,首先两步法较容易掌握,且可以实现间歇生产,产能弹性更强;其次,两步法可以在生产过程中持续填料, 生产速度更快。但若从聚合热、聚合物质量、操作难度等来考虑,一步法对规模工业化生产而言,更加有利于生产工艺控制和产品质 量稳定性。目前来看,国内外主要厂商采用一步法生产工艺路线较多,海外的陶氏和蒙特以及国内的吉林碳谷采用两步法。
(3)溶剂的使用上,DMAC、DMSO和NaSCN为主流:一步法使用的主要溶剂有DMSO、DMF、DMAC、NaSCN、ZnCl2;两步法使用的溶剂主要有DMSO、DMF、DMAC。从海内外的厂商选择来看,主流溶剂为DMAC、DMSO和NaSCN,其中DMAC和NaSCN更适合大丝束产品,而DMSO更适合小丝束产品,因此即便DMSO的价格远高出其他溶剂,但聚焦小丝束的厂商大多数仍选择DMSO。

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3.原丝的两个关键步骤-纺丝:干法产品性能好,湿法成本低
(1) 干法纺丝:将纺丝原液经喷丝头形成细流,溶剂被纺丝甬道中热空气挥发带走的同时,聚合物通过浓缩和固化形成初生纤维,方法操作简单,溶剂的回收率大。干法纺制的原丝截面更规则,所以遗传到后续预氧化和炭化环节的缺陷更少,有利于生产高性能原丝,T700以上的碳纤维生产工艺都基本采用干法。
(2)湿法纺丝:将纺丝原液经过滤、脱泡,通过计量泵从喷丝头挤出,在凝固浴的作用下,原液细流凝固形成一层膜,凝固剂扩散到细流内部,而细流中的溶剂也通过皮层扩散到凝固浴中,经过双扩散成型,适当的喷丝头拉伸形成初生纤维,湿法成本较低,但纺速较慢。
(3)干湿法(干喷湿纺):干喷湿纺结合了干法和湿法的技术优势,在操作流程上和湿法更相似,纺丝原液经喷丝孔喷出后不立即进入凝固浴,而是先经过空气层再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条。

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4.纺丝不同工艺路线对比:湿法和干湿法为主流,小丝束采用干湿法、大丝束采用湿法
(1)干法VS湿法:从纺丝阶段看,由于喷丝板孔数的差异,湿法更适合于大丝束产品。牵伸速度上,干法明显快于湿法,但通过改进, 目前湿法的牵伸速度也有了明显提升。由于干法需要原液在热空气中蒸发,其成形温度和原液温度都要明显高于湿法。干法湿法 的工艺不仅影响纺丝阶段,由于工艺不同,其对纺丝原液的要求也有较大差异,从而对聚合阶段造成影响。无论从粘度、聚合物含量和溶剂浓度来看,干法对纺丝原液的要求都更高。
(2)纺丝路线选择:由于干法对工艺要求较高,成本相对较高,主流碳纤维原丝生产企业较少采用干法,此前干法工艺的企业也逐渐转向干喷湿纺。以中复神鹰、光威复材以及海外的卓尔泰克为代表的小丝束产品生产企业以干喷湿纺为主;以吉林碳谷、上海石化以及海外的蒙特、东邦为代表的大丝束产品生产企业则以湿法为主。

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5.纺丝环节决定单线产能,纺速、丝束数影响较大,干法纺速大于湿法
(1)纺丝单线产能:决定纺丝单线产能的因素较多,包括基础纺速、年工作小时数、纺位数(锭数)、喷丝孔数、纤度、成品率和收缩率等。从纺速来看,不同技术路线差异较大,一般干法>干喷湿法>湿法,相同技术路线下,各家企业的纺速又有差异,差异形成的原因包括喷丝孔孔径、纺丝液粘度等。从喷丝孔数来看,这直接取决于产线生产的产品类型,24K的生产线就需要2.4万个喷丝孔,而12K产线就需要1.2万个喷丝孔,因此,理论上看,丝束数与单线产能成正比,但实际上,由于不同产品造成纺速、纺位数的变化实际会有差异。
(2)热辊牵伸——提升纺速:传统纺丝线的牵伸和烘干流程中均采用蒸汽加热,由于蒸汽传导热能效率较低,因此牵伸的线速度较慢,大致为80~240 m/min。而热辊牵伸采用电磁感应直接加热导丝辊,在同等辊径条件下热效率增加,能有效提升基础纺速。即使大尺寸的导丝辊,预计线速度也在500m/min以上,纺速提升将有效增加单线产能。

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来源:天风证券

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