李香梅
(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司, 200540)
聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景分析
李香梅
(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司, 200540)
介紹了國(guó)內(nèi)外聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展?fàn)顩r,指出國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)業(yè)目前仍存在技術(shù)無特色、質(zhì)量產(chǎn)品差及核心技術(shù)缺乏等諸多問題。分析了國(guó)內(nèi)外聚丙烯腈基碳纖維的市場(chǎng)需求,認(rèn)為只有堅(jiān)持自主創(chuàng)新、降低生產(chǎn)成本、加強(qiáng)應(yīng)用研究和市場(chǎng)開發(fā),才能推動(dòng)國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
聚丙烯腈 碳纖維 發(fā)展 分析 對(duì)策
1959年日本人進(jìn)藤昭男發(fā)明了用聚丙烯腈原絲生產(chǎn)碳纖維的方法。1962年日本東麗(Toray)公司開始生產(chǎn)并積極研制用于生產(chǎn)碳纖維的專用優(yōu)質(zhì)原絲,并于1967年成功生產(chǎn)T300聚丙烯腈基碳纖維。英國(guó)皇家航空研究所的Watt等人對(duì)聚丙烯腈纖維生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)后,英國(guó)考陶爾公司利用這項(xiàng)技術(shù)開始生產(chǎn)高強(qiáng)度、高模量聚丙烯腈基碳纖維。1969年日本Toray公司研究成功用特殊的單體共聚而成的聚丙烯腈制成碳纖維原絲,結(jié)合美國(guó)聯(lián)合碳化物公司的碳化技術(shù),生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高模量碳纖維。此后美國(guó)、法國(guó)和德國(guó)也都通過引進(jìn)技術(shù)或自主開發(fā)生產(chǎn)聚丙烯腈原絲及碳纖維,但日本Toray公司的碳纖維研發(fā)與生產(chǎn)一直處于世界領(lǐng)先水平。特別是20世紀(jì)90年代以來,由于聚丙烯腈基碳纖維性能優(yōu)越,應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展。目前世界聚丙烯腈基碳纖維已進(jìn)入發(fā)展旺盛的成熟期。
我國(guó)從20世紀(jì)60年代后期開始研制碳纖維。1976年在中科院山西煤炭化學(xué)研究所建成我國(guó)第1條產(chǎn)能2 t/a的聚丙烯腈基碳纖維擴(kuò)大試驗(yàn)生產(chǎn)線。80年代開展了高強(qiáng)型碳纖維的研究,于1998年建成一條規(guī)模為40 t/a的中試生產(chǎn)線。
盡管如此,我國(guó)碳纖維生產(chǎn)與國(guó)外相比仍有很大差距,產(chǎn)量和質(zhì)量均不能滿足市場(chǎng)發(fā)展需求。制約我國(guó)碳纖維發(fā)展的首要原因是聚丙烯腈基碳纖維原絲質(zhì)量不過關(guān),其次為生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備等其他因素。
進(jìn)入21世紀(jì)以來,國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)得到較快發(fā)展,目前利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平[1]。
21世紀(jì)仍是世界聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)的快速發(fā)展時(shí)期。目前聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%。世界上聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)也已分化為以美國(guó)為代表的大絲束碳纖維和以日本為代表的小絲束碳纖維兩大類。日本和美國(guó)所產(chǎn)的碳纖維約占全球碳纖維總供應(yīng)量的80%。Toray、東邦(Toho)及三菱人造絲公司(Mitsubishi)這3家以腈綸纖維為主要產(chǎn)品的日本公司,依靠其先進(jìn)的紡絲技術(shù)形成高性能原絲生產(chǎn)優(yōu)勢(shì),通過大量生產(chǎn)高性能碳纖維使日本成為碳纖維大國(guó),3家企業(yè)的產(chǎn)量之和占據(jù)了世界碳纖維總產(chǎn)量的78%左右,無論質(zhì)量還是產(chǎn)量均處于世界前列,而且基本控制了世界高性能小絲束碳纖維的生產(chǎn)。而福塔菲爾(Fortafil)、卓爾泰克(Zoltek)、阿爾迪(Aldila)和愛斯奇愛爾(SGL)等4家公司則壟斷了世界聚丙烯腈基大絲束碳纖維的生產(chǎn),其中Fortafil公司聚丙烯腈基大絲束碳纖維的生產(chǎn)能力居世界首位。
受國(guó)際金融危機(jī)的影響,2009年全球聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)廠家普遍陷入虧損的狀態(tài)。2009年全球聚丙烯腈基碳纖維的總產(chǎn)能為78 kt/a,產(chǎn)量約為58 kt,而2009年全球聚丙烯腈基碳纖維的實(shí)際需求量為35 kt,產(chǎn)能及產(chǎn)量均明顯超過需求。為避免產(chǎn)生大量庫(kù)存,生產(chǎn)企業(yè)紛紛采取限產(chǎn)措施。直至2010年全球聚丙烯腈碳纖維市場(chǎng)才出現(xiàn)了回暖的跡象。2008-2014年全球碳纖維產(chǎn)量及預(yù)測(cè)見表1。
表1 2008-2014年世界碳纖維產(chǎn)量及預(yù)測(cè) t
2007年以前雖然我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率為25.8%,但2007年產(chǎn)量也僅為250 t左右。從2008年開始,我國(guó)碳纖維在技術(shù)上取得突破,建成了千噸級(jí)的生產(chǎn)裝置,產(chǎn)量成倍增加,2009年產(chǎn)量已達(dá)1 000 t,年均增長(zhǎng)率達(dá)到100%。但受技術(shù)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(chǎn)狀態(tài),平均開工率僅為10%左右。預(yù)計(jì)到2015年國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)能將達(dá)到20 kt/a,產(chǎn)量將在l0 kt,產(chǎn)量的年均增長(zhǎng)率將會(huì)穩(wěn)定在 45%[2-3]。
近年來,通過合作和自主創(chuàng)新,國(guó)內(nèi)碳纖維實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。2008年12月中復(fù)神鷹碳纖維有限公司萬噸級(jí)碳纖維裝置的一期工程——千噸級(jí)碳纖維裝置建成投產(chǎn),成為我國(guó)第1條能達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模、原絲能夠自給的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)線,國(guó)內(nèi)外供需矛盾也得到一定程度的緩和。國(guó)內(nèi)主要碳纖維生產(chǎn)廠家及產(chǎn)能情況見表2。
另外,目前全國(guó)有14個(gè)省市22~25家企業(yè)也將開始建設(shè)碳纖維原絲、碳纖維及復(fù)合制品生產(chǎn)線。
表2 2009年國(guó)內(nèi)碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)能 t/a
我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維的消費(fèi)結(jié)構(gòu)與日本類似,多集中在體育休閑用品領(lǐng)域。未來的發(fā)展重點(diǎn)是新興工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、建筑材料、汽車、壓力容器和高壓輸電線潛力很大,預(yù)計(jì)到2020年僅風(fēng)機(jī)葉片對(duì)碳纖維的需求就將達(dá)萬噸。
過去10年我國(guó)碳纖維的消費(fèi)年均增長(zhǎng)率為12.4%。受國(guó)外碳纖維出口限制,國(guó)內(nèi)碳纖維的消費(fèi)被嚴(yán)重抑制,消費(fèi)量增長(zhǎng)率變化較大。尤其是在2006-2008年的3年間,由于全球供應(yīng)不足導(dǎo)致碳纖維產(chǎn)品價(jià)格高企,造成國(guó)內(nèi)市場(chǎng)消費(fèi)量接近零增長(zhǎng),甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。未來隨著國(guó)內(nèi)碳纖維供應(yīng)量的提升以及新興領(lǐng)域需求的快速增長(zhǎng),國(guó)內(nèi)碳纖維消費(fèi)量將會(huì)穩(wěn)步增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2015年國(guó)內(nèi)碳纖維消費(fèi)量將達(dá)到20 kt左右,年均增長(zhǎng)率將達(dá)20%以上(見表3)。但與歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比,國(guó)內(nèi)碳纖維在新興工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用還有很大空間(見表4)。
表3 2000-2015年國(guó)內(nèi)碳纖維消費(fèi)量及預(yù)測(cè)
表4 國(guó)內(nèi)外碳纖維消費(fèi)結(jié)構(gòu)對(duì)比 %
目前我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)業(yè)的總體水平遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家,全球聚丙烯腈基碳纖維的市場(chǎng)95%以上的份額掌握在國(guó)外大型企業(yè)的手中。國(guó)產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)品集中在通用、基礎(chǔ)和低檔次品種上,在產(chǎn)品性能和成本上難以與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng),不能完全滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)缺口巨大。2000年我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)品的自給率僅為2.3%,2009雖年有所上升,但也僅為16.1%,大部分仍需依賴進(jìn)口。隨著未來國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)能的不斷增長(zhǎng),預(yù)計(jì)到2015年國(guó)內(nèi)碳纖維的自給率將達(dá)到45%左右。
2009年聚丙烯腈基碳纖維進(jìn)口量以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%左右的特種碳纖維紗線及其他制品為主,占總進(jìn)口量的67%,而進(jìn)口單價(jià)則以碳纖維布和棒最高,是其他品種的3倍。這表明經(jīng)過一次加工后的碳纖維產(chǎn)品附加價(jià)值遠(yuǎn)高于初級(jí)碳纖維產(chǎn)品。
2008年以前,國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維的進(jìn)口量逐年增加,年均增長(zhǎng)17.3%,2008年達(dá)到最高,為8 128 t。到2009年,外貿(mào)訂單的減少使得國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維的進(jìn)口量和出口量雙雙下降。未來隨著國(guó)內(nèi)新興領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求量的快速增加,碳纖維的進(jìn)口量將重新恢復(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)存在著巨大的市場(chǎng)缺口,進(jìn)口量占據(jù)國(guó)內(nèi)大部分市場(chǎng)份額。但與此同時(shí),我國(guó)還有部分碳纖維出口量,這與國(guó)內(nèi)供應(yīng)緊缺的現(xiàn)狀相矛盾。這樣的貿(mào)易現(xiàn)狀背后隱藏的是我國(guó)進(jìn)出口結(jié)構(gòu)的不平衡。2009年我國(guó)碳纖維的進(jìn)出口貿(mào)易情況見表5。
表5 2009年國(guó)內(nèi)碳纖維的進(jìn)出口貿(mào)易情況 t
在我國(guó)碳纖維進(jìn)出口貿(mào)易中,碳纖維布和棒的進(jìn)口主要以一般貿(mào)易為主,占一般貿(mào)易總進(jìn)口量的83%;而以加工貿(mào)易形式進(jìn)口的碳纖維數(shù)量占到了加工貿(mào)易總進(jìn)口量的90%,即其中絕大部分是為國(guó)際市場(chǎng)進(jìn)行加工的原料;碳纖維紗線及其他制品的加工貿(mào)易進(jìn)口量也占到了總進(jìn)口量的61%,大部分也是為國(guó)際市場(chǎng)進(jìn)行加工的原料??偝隹诹恐?,一般貿(mào)易占到了81%,說明我國(guó)碳纖維的出口多以自主加工后出或貿(mào)易商出口。占進(jìn)出口重要地位的是加工貿(mào)易的方式,相當(dāng)部分碳纖維進(jìn)口企業(yè)都是加工貿(mào)易企業(yè)。這種情況清晰地顯示了我國(guó)作為全球生產(chǎn)基地的地位,表明加工貿(mào)易是我國(guó)參與國(guó)際分工的重要路徑,但同時(shí)也說明我國(guó)自主出口產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力還有待提高。
從發(fā)展前景看,規(guī)模化生產(chǎn)是降低成本、參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要前提。目前國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)裝置的建設(shè)地點(diǎn)遍布我國(guó)東、中、西部20多個(gè)省(市),利益主體不同,規(guī)模大小不一,技術(shù)水平參差不齊;有些裝置遠(yuǎn)離主要原料產(chǎn)地,難以做大做強(qiáng),也難以整合。
從技術(shù)層面看,由于多數(shù)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平和工藝路線處于同一檔次,技術(shù)無特色,產(chǎn)品低質(zhì)量,屬于低水平重復(fù)建設(shè),因而影響了碳纖維的規(guī)模生產(chǎn)和全球銷售。從市場(chǎng)需求看,制備增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料是碳纖維的主要市場(chǎng),約占90%以上的市場(chǎng)份額,由于對(duì)碳纖維質(zhì)量有較高要求,多數(shù)國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量目前還達(dá)不到要求。從環(huán)保方面看,碳纖維的主要原料——丙烯腈屬劇毒和易燃、易爆產(chǎn)品,不宜長(zhǎng)距離運(yùn)輸;生產(chǎn)過程中的污水和廢氣治理技術(shù)難度較大,成本也較高。此外國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)規(guī)模小、分布散,加大了企業(yè)的安全和環(huán)保成本,不利于整個(gè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
國(guó)內(nèi)碳纖維雖然經(jīng)過了一段時(shí)期的發(fā)展,但是與國(guó)外的技術(shù)水平還存在一定的差距,也存在一些在競(jìng)爭(zhēng)中不容忽視的問題。首先,原絲質(zhì)量與國(guó)外相比還存在差距,由于國(guó)產(chǎn)碳纖維原絲在生產(chǎn)過程中大部分采用民用腈綸原液,雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,造成碳纖維性能不穩(wěn)定,纖維離散系數(shù)較大;其次,大部分國(guó)產(chǎn)碳纖維未經(jīng)過表面處理,制成的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度偏低,沒有經(jīng)過表面處理的國(guó)產(chǎn)碳纖維不能用作高性能要求的先進(jìn)復(fù)合材料增強(qiáng)體,也不能用來制作航空、航天器材中的主承力構(gòu)件;再次,存在生產(chǎn)裝置尚未形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模、產(chǎn)品價(jià)格貴及成本組成不合理的情況。國(guó)產(chǎn)碳纖維目前售價(jià)過高,遠(yuǎn)比國(guó)外進(jìn)口同類產(chǎn)品的價(jià)格要高。我國(guó)碳纖維的質(zhì)量、技術(shù)以及生產(chǎn)規(guī)模都與國(guó)外差距很大,尤其是我國(guó)碳纖維行業(yè)缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心產(chǎn)業(yè)化技術(shù),目前尚未掌握完整的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù),特別是中高性能碳纖維技術(shù),更是被西方國(guó)家壟斷和封鎖。從技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化難度較大,產(chǎn)業(yè)發(fā)展不會(huì)一蹴而就,因此碳纖維要真正實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過程[4]。
堅(jiān)持自主創(chuàng)新是發(fā)展我國(guó)碳纖維的唯一出路。碳纖維是軍需戰(zhàn)略物資,是國(guó)防建設(shè)、先進(jìn)武器不可或缺的關(guān)鍵材料,不可能也不應(yīng)該長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,只能依靠自力更生、自主創(chuàng)新研發(fā)。碳纖維生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多,是多學(xué)科、多技術(shù)的集成,發(fā)展我國(guó)的碳纖維工業(yè),當(dāng)前首先要解決工程化問題??刹捎孟找M(jìn)技術(shù)與自主創(chuàng)新相結(jié)合辦法,盡快實(shí)現(xiàn)規(guī)?;I(yè)生產(chǎn),在工程實(shí)踐和生產(chǎn)實(shí)踐中鍛煉人才,積累經(jīng)驗(yàn),在發(fā)展中不斷提升技術(shù)水平,真正掌握核心技術(shù)。在工藝技術(shù)上必須首先解決原絲質(zhì)量問題,同時(shí)加強(qiáng)預(yù)氧化、碳化、石墨化設(shè)備及表面處理等工程技術(shù)的研發(fā)。在熟練掌握碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的前提下,在碳纖維原絲生產(chǎn)上取得突破,發(fā)展高質(zhì)量的上游產(chǎn)品生產(chǎn)線,保證碳纖維生產(chǎn)穩(wěn)定、高質(zhì)。
原絲品質(zhì)直接影響碳纖維性能的穩(wěn)定性以及企業(yè)對(duì)碳纖維品質(zhì)和生產(chǎn)成本的控制。價(jià)格是制約碳纖維發(fā)展的主要因素,在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低成本,產(chǎn)品才有實(shí)用價(jià)值,為廣泛應(yīng)用創(chuàng)造條件,才能帶來碳纖維工業(yè)的高速發(fā)展。降低成本的主要措施有降低碳纖維用原絲成本及采用新型節(jié)能技術(shù)和裝備等。世界上碳纖維生產(chǎn)廠商都在致力于降低碳纖維生產(chǎn)成本。國(guó)外一些知名的碳纖維公司,如東麗、東邦和三菱人造絲公司等均擁有配套的原絲生產(chǎn)裝置。
碳纖維很少直接使用,大多是經(jīng)深加工制成中間產(chǎn)物或復(fù)合材料后使用。為此,應(yīng)大力開展應(yīng)用研究,擴(kuò)大使用范圍,形成產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)努力提升碳纖維的附加值,通過上下游產(chǎn)業(yè)共同努力,促使我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)走上快速發(fā)展軌道。我國(guó)應(yīng)逐步建立和健全碳纖維工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用研發(fā)體系,立足自身,加強(qiáng)交流與合作,同時(shí)密切關(guān)注國(guó)際上著名碳纖維生產(chǎn)廠商技術(shù)發(fā)展進(jìn)程,借鑒其發(fā)展經(jīng)驗(yàn),加快發(fā)展步伐,努力縮小差距。現(xiàn)階段的應(yīng)用研究應(yīng)著力于碳纖維及其復(fù)合材料相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的建立,如碳纖維及其復(fù)合材料性能表征、質(zhì)量控制與保證,以及復(fù)合材料的修補(bǔ)技術(shù)、回收使用技術(shù)等。
目前制約我國(guó)碳纖維發(fā)展的主要因素有兩個(gè):一是碳纖維原絲質(zhì)量問題,二是缺少適用的耐高溫材料及大型高溫爐。為了打破國(guó)外技術(shù)及產(chǎn)品壟斷,滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求,國(guó)內(nèi)部分化纖企業(yè)加大了高性能碳纖維的投入,使我國(guó)碳纖維生產(chǎn)規(guī)模邁上了千噸級(jí)的新高度,推動(dòng)了我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。這些項(xiàng)目的實(shí)施使我國(guó)高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了突破,影響并帶動(dòng)了其他高新技術(shù)纖維的發(fā)展,對(duì)滿足我國(guó)軍用、民用兩個(gè)市場(chǎng)需要,起到了較好的示范作用。
[1] 陳杰,吳永興,張振聲,等.國(guó)內(nèi)碳纖維發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J].高科技纖維與應(yīng)用,2007(2):22-25.
[2] 金立國(guó).我國(guó)碳纖維工業(yè)現(xiàn)狀和碳纖維應(yīng)用[J].合成纖維,2009(10):1 -6.
[3] 錢伯章.國(guó)內(nèi)外碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域、市場(chǎng)需求以及碳纖維產(chǎn)能的進(jìn)展(1)[J].高科技纖維與應(yīng)用,2009(5):38-42.
[4] 王學(xué)彩,李峰,唐有守.我國(guó)碳纖維行業(yè)發(fā)展綜述[J].山東紡織科技,2011(4):46-48.
Analysis on Development Prospect of PAN-based Carbon Fiber Industry
Li Xiangmei
(SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.,Ltd.200540)
The development situation of PAN -based carbon fiber at home and abroad was introduced,and the problems existing in domestic PAN - based carbon fiber industry were raised,such as lack of featured technologies,low product quality and lack of core technology.Based on analysis of market demand of PAN -based carbon fiber at home and abroad,this paper pointed out that sound development of domestic PAN -based carbon fiber industry depended on independent innovation,reduction of production cost,and strengthening of application research and market development.
polyacrylonitrile,carbon fiber,development,analysis,countermeasure
1674-1099 (2012)03-0030-04
TQ342+.74
A
2012-05-02。
李香梅,女,1980年出生,畢業(yè)于鄭州大學(xué)科技英語專業(yè),經(jīng)濟(jì)師,現(xiàn)從事上市公司投資者關(guān)系管理工作。