新興產業(yè)遭遇產能過剩 誰為碳纖維未來護航
近年，隨著碳纖維復合材料在航空航天領域嶄露頭角，并逐漸成為不可替代的關鍵性結構材料，正吸引著越來越多的國內企業(yè)不惜重金投資、大手筆進入該領域。“2005年9月29號，當我第一次調研碳纖維的時候，我信心百倍，大家都說碳纖維難做，但我就要把它做出來。這么多工廠我都做得好，還有什么難的呢？四年做下來，我深有體會，就是其他的工廠我做得再好，但碳纖維也不一定能做得好。”這是中復神鷹碳纖維有限責任公司董事長張國良在9月上旬召開的“高性能纖維復合材料產業(yè)化建設及應用技術研討會”上發(fā)言的開場白。一席話道出了21世紀初國內幾十家大型國企以及各路民營企業(yè)紛紛投身碳纖維產業(yè)的決心，正是這種初生牛犢不怕虎的干勁快速催生了國內碳纖維產業(yè)在短短幾年內從無到有進而過渡至“遍地開花”的態(tài)勢，2004～2008年產能年均增速超過100%。
但是由于在一些關鍵技術上仍未取得突破，生產線運行及產品質量極不穩(wěn)定，“有產能無產量”的裝置比比皆是，正如北京化工大學徐粱樺教授所言“真正懂得碳纖維的企業(yè)少之又少”，盡管如此，躍躍欲試的企業(yè)仍在不斷增加。
“碳纖維熱”背后的隱憂
產能超過可預見需求
我國碳纖維工業(yè)的起步可以追溯到1962年，基本與日本的研發(fā)保持同步進行，但在產業(yè)化生產和集中度方面卻存在很大差距。“十五”結束時我國有碳纖維企業(yè)近10家，合計產能僅占世界總產能的1%左右，即不到400t/a；而同期日本東麗、東邦、三菱人造絲三大碳纖維巨頭合計產能就超過2.0萬t/a。2008年世界碳纖維產能6.7萬t/a，其中小絲束5.16萬t/a，大絲束1.56萬t/a，日本生產企業(yè)產能占全球總產能的3/4，并可生產從T300到T1000及M30S到M70J系列產品，東麗公司已成為美國波音公司和法國空中客車公司制造民用客機的碳纖維產品定點企業(yè)；同期國內碳纖維企業(yè)增至近30家，合計產能9200t/a，約占世界總產能的14%，規(guī)模仍集中在千噸、百噸級，但由于技術不成熟、裝置不穩(wěn)定等因素影響，許多裝置不能正常開車或處于停產狀態(tài)，目前平均開工率僅約5%。
雖然我國碳纖維生產發(fā)展較為緩慢，但市場需求旺盛，2001～2008年碳纖維消費量年均增長約21.7%，2008年需求量為6500t。由于國內產量嚴重不足且產品存在強度低、均勻性和穩(wěn)定性較差等質量問題，并多集中在低端的T300，因此國內碳纖維需求主要依賴進口。2008年進口量超過6000t，約占世界總產量的1/5，其中大部分為來料加工再出口，而國內實際需求僅約200～300t，這也是目前我國碳纖維產業(yè)發(fā)展過程中遇到的最大瓶頸，碳纖維
制品達不到國外相應質量標準，容易遭遇國際技術壁壘的制約。此外，據(jù)預測，2010年全球碳纖維總需求約4.0萬t，而國內同期在建及擬建產能將超過2.0萬t/a（生產及擬/在建項目統(tǒng)計見表1），中長期規(guī)劃可達6.7萬t/a，已經超過全球需求容量，產能過剩非常明顯。
應用領域亟需拓展
受韓國和我國臺灣地區(qū)將體育器材產業(yè)轉移到大陸沿海地區(qū)影響，國內碳纖維材料的應用主要集中在體育休閑用品（約占總消費量的80%～90%），及一般工業(yè)應用和少量軍工產品（導彈和火箭等）。在航空航天方面，由于國外一直對我國進行技術封鎖，供貨來源主要依靠國內部分科研院所及企業(yè)的試驗設備所生產的少量碳纖維產品，但耗量不足碳纖維總需求量的5%，遠落后于世界平均應用水平（見圖1）。
“十二五”期間，國家對包括碳纖維在內的高性能纖維產品在工業(yè)領域應用發(fā)展進行了立項和重點部署，積極研制高質量產品，并不斷拓展其在軍用、航空航天、能源、環(huán)保、汽車、造船、橋梁等工業(yè)領域以及建筑、抽油桿、民用等方面的應用。此外，預計未來幾年碳纖維增強材料在風電領域將迎來新的市場機遇。
技術攻關難度大
作為目前新型復合材料首選的增強體——碳纖維是一個高投資、高技術含量的產品，可對于中國的企業(yè)家來說好像門檻并不那么高，每年都有十幾家企業(yè)參與進來。但從技術方面來看，碳纖維生產涵蓋了高分子、無機和有機化學、材料科學等多個學科，以及化學工程、纖維成型、自控、機械等多項工程技術高度集成，且沒有國外樣品和技術作為借鑒，該產品對性能、形態(tài)結構、微結構要求很高，技術流程很復雜。①紡絲除考慮成本和力學性能外，
還要考慮界面問題，如果碳纖維和樹脂基體表面結合不好，性能再高也無濟于事；②碳纖維的碳化過程是制約其產業(yè)化工藝的關鍵問題，涉及相互獨立、相互制約的參數(shù)非常多；③在制備技術方面，要具備較好的單元技術基礎，還有賴于技術的集成和裝備的整體技術水平。此外，與國外相比我國碳纖維發(fā)展在聚合的可控性、穩(wěn)定化、高倍拉伸氧化控制、上漿劑、設備國產化、降低能耗物耗、環(huán)保等方面顯得較為薄弱。
表1 我國大陸主要PAN基碳纖維生產及擬/在建項目統(tǒng)計 t/a
地區(qū) 生產企業(yè) 原絲產能 碳纖維產能 備注
東北 大慶石化腈綸廠 5000 意向
吉林碳素廠 25 500（擬建) 原絲生產
吉研高科技纖維有限公司 10 生產
吉林石化公司研究院 10 生產
吉林市航源碳纖維有限公司 250 100 在建
吉林化纖 1000 意向
沈陽中恒新材料有限公司 1500 500 在建
大連興科碳纖維有限公司 800 生產
小計 8595 1100
華北 山西煤化工研究所 10 生產
山西恒天紡織新纖維科技有限公司 1000 在建
河北硅谷化工公司 1200 已建
小計 2200 10
西北 西安康本材料有限公司 1000 在建
蘭州碳素纖維廠 60 生產
蘭州中凱工貿有限責任公司 100 停產
小計 1000 160
華東 上海合成纖維研究所 5 停產
上海碳素廠 10 停產
上海金山石化 1000 意向
上海星宇實業(yè)有限公司 400 意向
中復神鷹碳纖維有限責任公司 10000 2500 在建
江陰德福碳纖維有限公司 1000 在建
揚州惠通公司 100 在建
江蘇恒神 1000 在建
江蘇宿州 200 在建
山東天泰股份有限公司 40 停產
威海拓展纖維有限公司 1000 400 在建
山東天泰股份有限公司 40 意向
威海拓展纖維有限公司 40 生產
嘉興中寶碳纖維責任有限公司 400 緩建
浙江恒逸集團有限公司 2000 在建
安徽華皖集團 200 停產
小計 15100 5232
華南 桂林市化纖總廠 200 意向
廣州金發(fā)科技股份有限公司 200 籌建
小計 400
合計 26895 6902
低成本工業(yè)碳纖維應成為未來發(fā)展的主體
碳纖維未來的應用將不僅僅局限于航空航天、軍事等尖端領域，而是實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應用，因此，低成本工業(yè)級碳纖維將成為未來發(fā)展的主體，而成本問題則是制約我國碳纖維產業(yè)發(fā)展的關鍵因素。導致目前國產碳纖維生產成本較高的因素主要有三個方面：①豪華工藝流程設計與產出目標產品間的錯位，生產企業(yè)往往將工藝流程設置得非常全面，從而導致生產成本提高。②碳纖維制備過程中的配套技術不完善，國內成套裝備的設計和制造技術薄
弱。原材料質量、工藝設計和制造等技術問題使得我國碳纖維裝備投資和后續(xù)關聯(lián)性費用較高，折舊壓力大，硬性維護成本非常高，受裝備水平制約單線產能偏低，運行成本高。③受環(huán)保條件制約，輔料、助劑大量進口間接推高了產品成本。
美國能源部曾提出促進低成本碳纖維發(fā)展的計劃并進行研究，在碳纖維成本中原絲部分約占51%，工藝和人力成本約占49%。目前降低原絲生產成本主要通過采用丙烯腈、木質素、線性工業(yè)級低密度聚乙烯等紡織工業(yè)級的原絲；而在溶紡技術方面，有賴于預氧化、碳化新工藝和新技術來進一步降低成本。
產學研有機結合助產業(yè)有序發(fā)展
面對目前國內碳纖維產業(yè)產能過剩、成本高、質量不穩(wěn)定、應用領域狹窄等問題，寄望在政府相關政策的引導下，加強產學研結合，采取切實措施保護來之不易的新興產業(yè)，以推動我國碳纖維產業(yè)有序、健康的發(fā)展。
（1）加強碳纖維戰(zhàn)略規(guī)劃和戰(zhàn)略決策的科學性 對科學研究領域和技術領域的沿革、國內外現(xiàn)狀、技術經濟分析、未來發(fā)展趨勢等做出科學的、定量的分析和預測判斷。
（2）加強碳纖維系統(tǒng)復雜工程的頂層設計與部署 從國家戰(zhàn)略需求出發(fā)，不同系統(tǒng)和部門間科研單位協(xié)作與分工協(xié)調，加強聯(lián)合、優(yōu)勢互補、協(xié)同攻關、獨立考評、公平競爭。
(3)加強科學技術基礎和人才培養(yǎng) 在碳纖維原絲和碳絲的制備、結構形態(tài)、性能相關性等領域進行系統(tǒng)深入研究，以PAN纖維取向和微缺陷調控為主線，控制聚合、溶膠/凝膠、預氧化三個關鍵過程化學結構和微缺陷的形成。
（4）加強科技成果向碳纖維生產線集成和應用開發(fā) 強化科研單位、腈綸制造企業(yè)、化工和紡絲工程設計與裝備制造單位、自動控制與工程控制公司的有效組合，高度重視氧化碳化裝備制造和復合材料應用。
此外，更應重視應用領域的拓展，以推動規(guī)模化產能最大程度轉化為規(guī)模化的產量，同時也能從生產連續(xù)化過程中不斷提高生產技術水平，繼而轉化為高品質的質量，從而進一步拓寬碳纖維產品的應用范疇，降低碳纖維生產成本。
相關鏈接：
碳纖維國產化歷程概覽
蹣跚起步期
（19世紀60年代至90年代） 研發(fā)力量薄弱，工業(yè)化、產業(yè)化水平極低，生產企業(yè)舉步維艱。碳纖維原絲生產技術三足鼎立，分別是：①吉林石化的硝酸法；②蘭州化纖的硫氰酸鈉法；③榆次化纖的二甲基亞砜法。其中，硝酸法代表了我國當時的最高水平，其次是硫氰酸鈉法，再次是二甲基亞砜法。
產業(yè)轉型期
（20世紀90年代末至21世紀初） 對原絲制備技術具有更加深入的理解，認識到硝酸法制備原絲的弊端和硫氰酸鈉法的現(xiàn)實困境，以及企業(yè)應用的混合溶劑等技術的適用性存在問題，二甲基亞砜法原絲技術再次崛起。期間國內科研單位成功掌握了可以制備圓形截面的T300原絲制備技術，我國高性能碳纖維產業(yè)化技術基礎基本形成。
快速發(fā)展期
（21世紀初直到現(xiàn)在） 科技部“十一五”科技專項、“863”碳纖維科技專項以及發(fā)改委產業(yè)化項目的跟進與實施，相關部委、地方政府與科研單位及各種所有制企業(yè)的不斷投入，形成了實驗室小試、規(guī)模中試及百噸乃至千噸級T300生產線建成投產的完整產學研鏈條；T700碳纖維已經實現(xiàn)了工程化并已同步開展了低成本T700-S碳纖維制備技術，T800碳纖維小試制備技術取得突破；高強高模碳纖維的研究開始啟動，基本實現(xiàn)了M40級高模量
纖維的成型技術。至此，國內碳纖維產業(yè)已經形成了從技術研發(fā)到生產到應用的興旺局面。
轉載：化工信息網
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