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领头羊逆势而动火热扩张,大丝束碳纤维到底有啥魅力?

分类:
科技资讯
来源:
中国纺织报
2020-08-20
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  随着新一轮“西部大开发”战略全面启动,西安、兰州等西北城市再度“吸睛”。在碳纤维领域,兰州蓝星纤维有限公司(以下简称“兰州蓝星纤维”)这几年也因在大丝束碳纤维产业化领域的不断突破而备受关注。

  近期,该公司又传出了好消息。7月22日,中国纺织工业联合会以线上视频会议的形式,组织对兰州蓝星纤维“千吨级NaSCN法50K大丝束碳纤维产业化关键技术及装备研究”项目进行技术成果鉴定。

  经过专家委员会一致评定,该项目通过鉴定。鉴定委员会认为,该公司“大丝束碳纤维生产过程的整体技术已达到国际先进水平。”

  事实上,今年以来,有的企业宣布要扩大在大丝束领域的投资,有的企业宣布将新涉足大丝束,还有去年宣布新建的大丝束项目也有新推进。多种迹象都表明,大丝束正在成为我国碳纤维市场本轮蓬勃发展的新驱动力。

  兰州蓝星攻克千吨级50K产业化技术

  兰州蓝星纤维位于兰州市西固区甘肃国际港园区,隶属于中国化工集团有限公司旗下的中国蓝星(集团)股份有限公司(以下简称“蓝星集团”)。该公司采用NaSCN一步法工艺生产碳纤维原丝,具有流程短、能耗低、单线产能大等特点,是我国能够实现低成本、工业化生产大丝束碳纤维的代表企业之一。

  北京化工大学材料科学与工程学院副院长、国家碳纤维工程技术研究中心主任徐樑华是行业的“明星人物”之一,他对于衡量我国碳纤维企业的产业化水平,曾提出“千吨俱乐部”概念,意思是龙头企业拥有的单线产能为千吨级的碳纤维生产线。由此来看,兰州蓝星纤维目前已成为具备千吨级规模化生产NaSCN法50K大丝束碳纤维的企业,成为“千吨俱乐部”成员之一。

  有耕耘才有收获。事实上,兰州蓝星纤维在该领域已经奋斗了10多年。时光退回11年前的2009年5月,那时,西北大地火热的夏天还没到来,2008年注册成立的兰州蓝星纤维怀揣着对碳纤维的雄心壮志,在兰州西固区开始了建厂基建。

  那一时期的国产碳纤维行业,基本还处于产业化起步阶段。自2004年开始,国外碳纤维的价格不断上涨,我国从国外进口碳纤维,价格快速上涨到8000多元/公斤,此后又突破了1万元/公斤。2005年,受台海局势等因素影响,我国进口碳纤维的渠道几乎被中断,国内需要的碳纤维被国外断供。这一时期,严峻的市场形势让碳纤维这一战略性材料备受关注,也让很多人更加深刻地理解了其作为“新材料之王”的价值内涵。

  或许正是由于当时的这种市场形势,让蓝星集团下定决心在碳纤维领域大干一番。当时,国内碳纤维行业正处于第一轮投资期,各类资本都跃跃欲试,蓝星集团便成为其中的一分子。但是企业发展前景究竟如何,一切都还是未知数,毕竟大家都是“摸着石头过河”。

  从2003年到2013年这漫长的10年左右的时间里,国产碳纤维全行业整体为了解决“从无到有”的难题而苦苦拼搏。在这一阶段,我国碳纤维行业刚刚迈出产业化步子,一路蹒跚着前进,而日本等国家的企业竞争对手开始逐渐采取“入门级T300产品大幅降价,高级别产品大幅涨价”的策略。内忧外困、压力重重,这一时期的国产碳纤维行业基本处于“全行业亏损状态”。但当时,大家心里都憋着一口气,咬着牙也得继续往前走,兰州蓝星纤维也不例外。

  2012年3年,兰州蓝星纤维年产1500吨碳纤维生产线带料试车成功。2013年8月,其5000吨/年的碳纤维原丝生产线一次投料试车成功。2014年7月,经北京化工大学检测,兰州蓝星纤维生产的12K碳纤维达到国际上同类产品T700的质量标准。2016年4月,其1500吨/年的碳化装置实现连续生产运行。2018年,蓝星集团投资上亿元,对兰州蓝星纤维原丝生产线进行技术改造,产品由原来的24K升级为50K。2019年下半年,其50K碳纤维生产线全线通过,产品依托自产原丝成本优势和北京碳纤维技术研究中心的研发优势,突破了我国大丝束碳纤维产业化生产瓶颈。

  在近期的鉴定会上,兰州蓝星纤维党委书记、总经理周宝庆介绍,公司目前已建成50K大丝束碳纤维千吨级生产线,其中,单线原丝年产能为4000吨,碳纤维年产能为1500吨。产品性能符合国标GQ3522水平,可以满足碳纤维预浸料的制备要求,产品本征性能和应用工艺性也与同类进口产品不相上下,填补了国内50K碳纤维产品的市场空白。

  从2009年5月到2020年,漫长的11年过去了,在西北这片广阔的土地上,兰州蓝星纤维一步步结出了丰硕的果实。

  另据了解,兰州蓝星纤维今年3月已与山东淄博市沂源县签约,接下来在沂源县建设的二期项目将形成年产原丝5万吨、碳丝25000吨的产业规模;7月,该公司还与上伟(江苏)碳纤复合材料有限公司就碳纤维及其复合材料生产制造签署《战略合作协议》,接下来,双方将在风电、汽车等领域形成长期、全面合作。

  “我们致力于缓解当下国内大丝束碳纤维仍大量依赖进口的现状。”周宝庆说。

  大丝束的“魅力”很大但难点也挺多

  大丝束是一种国际通用的碳纤维制造技术。

  一名业内人士向记者介绍:“低成本、大丝束碳纤维的应用,是发展低成本碳纤维复合材料技术研究的关键。”

  碳纤维指标中的1K、2K、3K、6K、12K等,是指碳纤维丝束中的单丝数量。按照丝束大小,碳纤维可以分为大丝束和小丝束两种。一般而言,K数越大,涉及的生产制备和产业化技术难度越大。

  小丝束通常是指每束碳纤维中的单丝根数小于24000根,如1000(1K)、3000(3K)、12000(12K)等。大丝束通常指每束碳纤维中的单丝根数大于或等于48000根(48K),如5万(50K)、6万(60K)、12万(120K)等。50K就表示一束碳纤维丝束中有5万根单丝,属于典型的大丝束。

  大丝束有何突出特点?一是生产效率高。相比小丝束,大丝束碳纤维最大的优势,就是在相同的生产条件下能够大幅度地提高碳纤维的单线产能,实现生产的低成本化。而且,在碳纤维复合材料制备过程中,其铺层效率更高,生产成本能降低约30%以上。

  “这有助于突破碳纤维因价格较高而产生的应用局限,为碳纤维复合材料进一步拓展应用市场奠定基础。”一名业内人士说。

  二是成本更低,性能高。国内制备大丝束碳纤维,目前使用的是聚丙烯腈基碳纤维原丝。通常,原丝成本约占碳纤维制备总成本的50%~60%。因此,大丝束碳纤维产品的售价可以控制到小丝束的50%~60%。同时,目前市场上一些大丝束碳纤维产品的主要性能,已经接近甚至超过了部分小丝束碳纤维。

  江苏澳盛复合材料科技有限公司技术总监严兵介绍:“大丝束作为工业级碳纤维,核心驱动力在于低成本,因此在保证碳纤维质量稳定性前提下,如何有效控制成本极其重要。比如,卓尔泰克公司的大丝束碳纤维PAN-EX35的拉伸强度和拉伸模量,在性能上相当于日本东丽公司小丝束T700,价格却相对较低。在我国市场上,东丽T700目前的售价约为20美元/公斤,而每公斤PAN-EX35的售价约为十五六美元。”

  广州赛奥碳纤维技术有限公司总经理林刚介绍:“我们将拉伸性能接近T700的产品称为高性能。目前,全球多款高性能大丝束产品的性能都与T700相当。比如,日本三菱TRH50-60K的拉伸强度达到了4830MPa,拉伸模量达到了250GPa;德国西格里的一款产品,拉伸强度达到了4800MPa,拉伸模量达到了280GPa。”

  “用不了多久,在通用性能上,48K、50K等规格的大丝束碳纤维将可以做到基本能与T800相媲美。近几年,民用小丝束产品的国际市场售价约为15美元/公斤~24美元/公斤,大丝束产品的售价约为13美元/公斤~14美元/公斤。”林刚进一步预测,“随着低成本创新技术不断发展,大丝束产品的售价有望降至10美元/公斤~12美元/公斤。小丝束是传统产品,大丝束则是新兴产品。接下来,将是大小丝束之间如何对抗。从现实情况看,未来,大丝束将会逐步侵占小丝束的市场份额,即便是在航空航天这一小丝束传统的强势应用领域,高性能大丝束也会逐渐打开应用市场。甚至还会出现更具成本优势的‘巨丝束(大于100K)’加入大丝束的竞争。”

  然而,相比小丝束,在原丝、聚合、预氧化、碳化等多个系统环节,大丝束碳纤维的制备技术都更难。

  在原丝环节,如果生产的是1K、3K的小丝束碳纤维,一个喷丝板上会有1000个、3000个孔,但如果生产的是48K大丝束碳纤维,一个喷丝板上会有48000个孔,这本身就具有一定的挑战性。同时,CV值的稳定性更难把握。以生产50K大丝束碳纤维为例,要求一个喷丝板上的5万个孔里喷出来的每根丝的均匀度都一样,相比小丝束碳纤维,其难度大了好几倍。

  碳化在碳纤维制备过程中至关重要,分为低温碳化和高温碳化。碳化过程伴随着材料结构变化,原丝经预氧化后转变为耐热梯型结构预氧化丝,经低温碳化和高温碳化后,再转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。

  上述业内人士介绍:“大丝束碳纤维原丝生产出来后,在碳化环节也面临不少挑战。在碳化环节,非碳原子会逐步脱除,碳原子会富集再结晶,剧烈的化学反应有可能会带来新问题。比如,毛丝问题在原丝环节或许体现得并不明显,但在碳化环节有可能就会凸显出来。”

  林刚强调:“从12K到24K,所用的技术工艺路线基本一样,但是从24K到48K,中间跨越了一个巨大的技术门槛。大丝束技术与小丝束的一个主要区别,在于其高通量。由于在单位时间里的通量高,使大丝束产品在聚合、纺丝、氧化、碳化等多个环节更容易出现问题,也带来很多复杂的技术问题和工程问题。”

  “大丝束碳纤维的连续性能虽然比不上宇航级小丝束碳纤维,但是其技术壁垒也相当高,这在很大程度上导致了目前全球大丝束碳纤维的产量低于小丝束。”严兵介绍,“除了制备技术要求高,在后续的应用过程中,大丝束碳纤维由于纤维丝束较大、易于集聚,使展纱效果受到影响,进而容易造成树脂对纤维的浸润性较差、产生孔隙等缺陷。同时,在大丝束碳纤维展纱过程中,更容易出现乱纱和断纱,导致纤维的力学性能分散性加大,这也进一步增加了大丝束碳纤维的应用难度。”

  另据介绍,目前,国内外开发出了大丝束碳纤维的“薄层化”技术。经薄层化处理后,能使大丝束碳纤维的丝束厚度变薄,使纤维在预成型体中分布得更加均匀,降低了预成型体的渗透率,提高了均匀性。而且,经薄层化处理后,使大丝束碳纤维增强树脂基复合材料的内部缺陷减小,使纤维/树脂分布得更加均匀。

  大丝束渐成全球碳纤维市场竞争热点

  从全球大丝束碳纤维市场看,美国知名碳纤维企业卓尔泰克(ZOLTEK)目前仍占据绝对优势,但是该企业此前已被日本东丽公司收购。

  事实上,这些年,全球知名企业一直在加码大丝束。2014年2月,日本东丽以5.84亿美元完成了对卓尔泰克的收购,加强了其低成本、大丝束碳纤维的供应能力。2018年4月,日本东丽又宣布,增加其美国子公司卓尔泰克的大丝束碳纤维产能,将卓尔泰克在匈牙利工厂的产能从此前的年产1万吨提高到15000吨;此后,又宣布将卓尔泰克在墨西哥工厂的产能从年产5000吨提高到年产1万吨。

  2017年11月,索尔维(Solvay)公司完成对德国大丝束(50K)聚丙烯腈基碳纤维优质原丝生产企业欧洲碳纤维有限公司(European Carbon Fiber GmbH)的收购。2019年12月,索尔维又宣布,与德国碳纤维制造商SGL达成联合开发协议,致力于拓展大丝束(50K)、中模量碳纤维复合材料在民用航空市场的应用。

  风电叶片市场需求大增拉动大丝束快速升温。

  在我国市场上,除了兰州蓝星纤维,当前,具备大丝束碳纤维生产能力的主要厂家还有吉林碳谷碳纤维股份有限公司、吉林精功碳纤维有限公司、上海石化等。尤其是近几年,随着风电叶片用大丝束碳纤维需求的“跳跃式”放量,国内大丝束碳纤维市场的需求快速升温,也拉动了碳纤维制备技术和产业化技术的不断突破,以及产业规模的快速扩张。

  林刚介绍:“2019年我国碳纤维的总市场需求中,小丝束的容量约为18000吨,其中大陆企业产的约有7000吨;大丝束的市场容量约有14000吨,其中大陆企业产的约有1000吨,其余主要靠进口。”

  吉林碳谷是产业化“排头兵”。2019年,其“25K~50K聚丙烯腈基原丝及碳纤维关键技术和产业化开发”项目通过鉴定,项目总体技术达到国际先进水平。

  该项目研发出大丝束碳纤维(25K~50K)产业化核心技术及关键装备,研发出制备均质结构原丝的DMAC湿法“两步法”纺丝技术,实现了单线5000吨级25K~50K原丝的稳定生产;研发出预氧化过程大丝束纤维恒定张力控制技术,结合温度智能控制及自动除焦工艺,实现了单线2000吨级25K~50K碳纤维稳定生产。项目具有自主知识产权,整体形成年产16000吨大丝束原丝及年产4000吨大丝束碳纤维的产能。

  记者了解到,自2019年以来,吉林碳谷的大丝束原丝市场需求快速增长,规模效应逐步显现。吉林碳谷最新发布的半年报显示,今年上半年,尽管受到疫情影响,但是其主营业务收入却逆势增长至2.13亿元,同比大幅增长58.08%;实现净利润3403万元,比去年同期增加3898万元,同比增幅高达788.03%。

  “上半年,公司主营收增长的主要原因是民用产品市场迅速开拓,横向和纵向应用领域都拓宽,碳纤维原丝销售快速放大,且成本降低;赢利大幅增加的主要原因是,随着产品完成定型,大丝束产品放量,主要产品毛利率稳步上升。”吉林碳谷在公告中这样表述。

  另据了解,吉林碳谷目前正在建设年产4万吨碳纤维原丝项目;吉林精功正在扩建大丝束碳纤维产能。

  今年3月,上海石化也宣布,拟投资35亿元,建设2.4万吨/年碳纤维原丝、1.2万吨/年的48K大丝束碳纤维项目。项目将采用自主开发的技术,建设2个系列原丝生产线,单系列设计产能为1.2万吨/年;将建设6条碳纤维生产线,每条生产线的产能为2000吨/年。

  “随着应用不断深入,大丝束产品开始出现供不应求的现象。公司新建项目,是为了满足国内市场对大丝束碳纤维及复合材料的需求,并促进公司碳纤维技术进步。接下来,公司将通过降低成本费用、稳定产品质量,提升产品获利能力。”上海石化在公告中这样表述。

  光威复材2019年7月宣布将在包头分3期新建的“万吨级碳纤维产业化项目”目前也有了最新推进。今年7月24日,光威复材发布公告宣布,子公司内蒙古光威碳纤有限公司以11256.01万元拍得内蒙古包头九原工业园区一地块使用权,宗地面积约为42万平方米。

  对于大丝束市场的这种火热,林刚分析指出:“企业选择大丝束品种,一个重要的目标,就是要追求更低成本和大规模化的工业应用。过去十几年来,我国碳纤维产业的整体发展基本还是在跟随日本企业的技术路线,在小丝束制备上已取得了很大成就。但对于大丝束制备,从系统技术层面看,我国当前在大量装备和工程化方面仍相对缺乏经验。总体看,目前,国内外市场对大丝束的需求很旺盛,所以接下来,我国应该奋力发展大丝束碳纤维制备系统技术。还要注意的是,产业整体的降本增效非常关键,其中就包括要发展低成本大丝束和低成本高性能大丝束。当然,低成本技术其实是一项系统工程,大丝束只是其中的一个选项,从整体上看,提速(高速)和提束(丝束)都很关键。”

  “从技术上看,国内大丝束碳纤维厂商当前已具备竞争优势,接下来,大家在成本控制上还要再下功夫。因为当国产大丝束碳纤维直面国外产品竞争时,在性能达标的情况下,主要还是靠成本驱动。”严兵说。

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