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再谈低成本大丝束碳纤维

发布时间:2023-07-13 点击次数:1559次

2021年下游需求量增加,上游供应端日本一企业出现问题,国内碳纤维供不应求,几乎所有的企业都加足马力生产,很多碳纤维企业开工率在80%以上,甚至有的企业开工率超设计能力100%以上。2021年碳纤维企业实现了全面盈利,但随之而来的就是碳纤维价格高企,比起2017年碳纤维额价格普遍涨了40%以上,很多企业都快受不了了。而低成本碳纤维,特别是工业级大丝束碳纤维成了大家都关注和努力的方向。

以前我们有一种误解,往往会把低成本和技术含量低联系到一起,但是很多时候成本要想真正的降低,必须具有本质性的技术创新!

当然碳纤维是一个新兴的产业,特别是目前还处于行业前期,还有很多可以精细化提升的地方。碳纤维不是碳的纤维,而是纤维状的碳,因此涉及到纺丝和碳化,很多材料好做出纤维,不易碳化,好碳化又不易做出纤维。经过这么多年的发展,碳纤维根据前聚体分主要黏胶基、沥青基和聚丙烯腈基(PAN基),而其中PAN基占90%以上,且低成本碳纤维目前也主要在这方面着眼。经过数十年的发展,PAN基碳纤维主要形成了三条技术路线:1、DMSO一步法干喷湿纺工艺,其中以中复神鹰、中简科技、恒神等为代表,2、DMAc两步法湿法纺丝工艺,其中以吉林化纤为代表,3、NaSCN一步法湿法纺丝工艺,其中以上海石化、兰州蓝星为基础,而光威复材在湿法和干喷湿纺都有布局。         


在2017年以前,因为下游应用没有得到充分的开发,绝大部分企业开工不足,产能和产量不匹配,造成碳纤维生产成本居高不下。文献中碳纤维的成本构成如下:     



产能和产量不匹配,无疑成本是无法计算的,而不同产能条件下碳纤维成本也是不一样的,根据《PAN基碳纤维生产成本分析及控制措施》所述,随着规模的扩大,原丝和碳纤维的生产成本都有较大幅度的降低。


而国际主流的碳纤维企业目前都在打造万吨以上规模的企业,而吉林化纤、中复神鹰借这几年国内碳纤维需求快速增长的东风,迅速扩产首先实现万吨规模的突破。

这是一个标志性事件,中国碳纤维企业实现快速成长,相信不久就会出现单个企业产量超万吨的企业。而这个已经实现,只有这样国内碳纤维企业才能成长强大起来,并可以参与到国际竞争中去。

虽然规模化可以形成集约化效应和降低一部分公摊成本,但要进行技术提升,在现有的PAN基碳纤维路线下,相对成熟的降本方案就是:提速和提束。提速这些年来,各企业一直在做,所以在徐樑华老师的PPT报告中,湿法纺丝已经达到300米/分钟、干喷湿纺达到500米/分钟,碳化速度也有较大幅度提高,如25K碳纤维240束达12米/分钟、220束达13.5米/分钟。

目前湿法和干喷湿纺是PAN基碳纤维的两个主流方向:


上图是湿法、干喷湿纺和相应做出来的碳纤维的差别。干喷湿纺因为有了喷嘴到溶剂间一个小小的空气段,更有利于高倍牵引拉伸,而这有利于高分子链的取向提高性能,也有利于提高速度。而湿法纺丝因为出来就进入溶剂,表面凝固,拉伸时表面破裂,不利于高速拉伸,而且对纤维强度有影响。但湿法纺丝因为表面凝固了,所以适合生产大丝束碳纤维。

提速和提束对降低成本的贡献如何?我们也可以做一个分析,同样的产能翻倍,是速度提高一倍容易?还是丝束提高一倍容易?当生产速度比较低的时候,翻倍比较容易,而现在原丝生产速度都在数百米以上,碳化速度也在10多米以上,生产速度提高一倍,难度系数就很大了。而相应的丝束翻倍,从25K到50K,相对就更容易一些。这就是为什么行业关注低成本碳纤维主要是大丝束碳纤维的原因了!大丝束碳纤维难度系数低一些,并不是说就没有难度。最简单的就可以看原丝生产中喷嘴的孔多了,丝束中每根丝与丝间是否有干涉,且喷嘴变大了每根丝的张力是不一样的,高速拉伸中缺陷会不会更多等。而在碳化中,我们做一个简单的比较就知道了,其实碳纤维碳化基本原理和卖炭翁中烧炭原理差不多,那么烧一根很粗的木头和细木头,哪个烧得透呢?从这方面看,低成本就并不意味着技术含量低了!但目前好消息就是国内有大丝束碳纤维成套的碳化装备市场化工艺,而且设备成本大幅度降低!


图片

上图我们可以看出碳纤维涉及多个工序、多个产业配合,而有效的利用产业链配合,也可以有效的降低成本。举一个简单的例子,碳纤维生产需要很多的能源特别是电能,这也是为何中复神鹰、光威复材去西部建厂的原因。这个问题有没有好的解决方案呢?我在碳纤维的风电生态链中就提高到了这个设想,我们可以利用风电、光伏等新能源来降低能源成本。

当然,如果要想成本有本质性的降低,就要有相对颠覆性的技术出现了。日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)提出了全新的碳纤维生产工艺,该工艺可以实现单线产能20000吨以上,远超现在的单线产能:


图片该方法提出包括新型前聚体,微波(辐照)碳化工艺等,这些都具有较大的挑战性!

而橡树岭国家实验室(ORNL)也宣布开发出一种新的高速氧化方法,即交联聚丙烯腈基碳纤维加工过程,使其固有的独特直链能经受住高温加工过程;同时还开发了一种微波等离子体装置,组合典型独立和有序的碳化以及石墨化过程,简化生产工艺,上述工艺可节省成本2.2美元/kg。与此同时,构思出采用聚丙烯腈外的其他材料作高性能碳纤维用原丝,包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等聚烯烃类高分子材料及木质素等,或是通过改进现有聚丙烯腈原丝的工艺技术,例如采用化学改性、辐照稳定化处理等,达到降低原丝成本的目的。

碳纤维低成本之路一直会坚定的走下去,而行业内最大的期待,也可能是碳纤维最大的甲方汽车工业也在很久以前就提出了一个大批量应用的目标:10美金/公斤.......


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