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我国碳纤维技术现状和思考
2011-11-11 来源:中国聚合物网
关键词:碳纤维 技术 现状

   中国碳纤维技术攻关到底应该如何把握方向?碳纤维开发是个大工程,应以需求为牵引,按照科研——产业化示范——产业化的规律规范碳纤维的研究和发展,按照技术、产业发展规律科学布局,对单元核心工艺、关键设备和配套材料等瓶颈技术开展专题攻关,各个击破。同时注重碳纤维人才队伍建设,建立高素质的专家系统和高效的咨询机制,深入研究碳纤维发展的技术脉络,把握正确的技术方向,有效牵引、推动技术研究和产业工作。

    碳纤维制备过程分为纯化聚合、纺丝、氧化炭化、石墨化和表面处理等多道工艺,涉及到有机化学、纺织学、化工机械、高分子化学和流体力学等多个学科,是一项工艺复杂、多学科交叉的高新技术产业。无论是工艺技术还是设备开发以及配套材料,只要有一项跟不上研制和产业化进程,就会最终影响到碳纤维产业。目前相对落后的关键单元技术有大容量聚合、快速纺丝、均质氧化、快速氧化炭化等,其工程问题没有彻底解决,导致产品性能不稳,生产成本高。以大容量间歇聚合工艺为例,目前我国容积最大的聚合釜约6~10立方米,部分生产单位为安全起见,采用多个2~3立方米小反应釜并联,而国际上先进的聚合釜容量现在已达到20~45立方米。聚合釜容积小,单釜聚合量就少,生产成本就高,而生产批次太多也会影响碳纤维整体性能的稳定性。在生产设备方面,国内一些关键设备产业化设计制造技术尚未取得突破,譬如氧化炉、多工位蒸汽牵伸机、宽口高温炭化炉和高温石墨化炉等。一旦这些设备在国际上禁运,对我国碳纤维产业的损害将无法估计,因此必须尽快掌握这些关键设备的制造技术。此外,碳纤维用油剂和上浆剂等关键原料在我国还处于实验室开发阶段,尚需依赖进口;与碳纤维产业化过程配套的废水、废气处理技术也不够完善。从发展前景看,规模化生产是降低成本、参与市场竞争的重要前提。

    从国外碳纤维产业发展历程看,比较成功的碳纤维企业都是从PAN原丝开始,到碳纤维生产,甚至到复合材料制品,形成一条龙产业。单一生产原丝,或依靠从市场购买原丝生产碳纤维的企业发展比较困难,大都已关停,这应引起我国相关企业注意。技术水平太低的企业必然要遭到淘汰,技术水平相对较高的企业可以加大碳纤维在普通民用领域的应用开发。未来碳纤维市场的增长点在风电叶片、建筑材料、汽车、大飞机、压力容器和高压输电线等新兴工业领域,消费量将会大幅增长。

    对于碳纤维用量能否实现飞跃?自上世纪60年代末碳纤维投入市场应用以来,至今已走过50多年,但去年全球的碳纤维用量也仅有5万吨左右。从所得到的资料分析:全球2010年玻纤用量达450多万吨,碳纤维为5万多吨,市场用量为90:1;从价格比看碳纤维为玻纤的10倍以上,与高强高弹碳纤维相比,要达数十倍以上。所以,这就决定了它不可能在短时间内有玻纤那么大的市场。根据国内外碳纤维企业和专家预测,从2011年起,每年约有13%的增长,到2018年才达到10万吨,因此,全球占主导地位的复合材料仍然为玻璃钢复合材料。从另一方面看,当前和今后,全球碳纤维复材的应用市场主要集中在与钢结构密切相关的高耗能、高排放领域中的大飞机工程、汽车工程、海船工程、电力工程等,以此达到以碳代钢、节约燃料、减少二氧化碳排放。众所周知,因化石能源的生产及应用,每年给全球造成温室气体损害无可估量,就美国报告的数字超过70亿美元。因此,各国政府近几年陆续出台一系列政策与法规来解决这一问题。就欧美先进国家来讲,他们把传统能源节能减排和新能源产业看作一种战略经济,利用碳减排推出低碳经济方案,用法律来约束。当前,国内出现“碳纤维热”,有碳纤维深加工OEM“加工热”、大量碳纤由海外提供的“进口热”、国内碳纤维开发“圈地投资热”等,我们期望这“三种热”能带来冷静思考,使我们最终看到国产碳纤维由集成创新走向自主创新。

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