推荐精品碳纤维生产技术及应用调研报告.docx

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推荐精品碳纤维生产技术及应用调研报告

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2016年4月

目录

第一章碳纤维概述3

1、碳纤维定义3

2、碳纤维性能4

3、碳纤维应用4

第二章碳纤维生产工艺5

1聚丙烯腈基碳纤维5

2、沥青基碳纤维6

3、粘胶基碳纤维6

4、活性碳纤维7

5、气相生长碳纤维8

6、碳纤维的产品形式及制造工艺10

7、碳纤维的技术难点11

71、原丝制备和CF（碳纤维）生产一体化12

72、重视CF及其制品回收再利用13

第三章国内外碳纤维市场分析15

1国内碳纤维行业的状况16

2、国外碳纤维市场分析18

3、国内生产厂家20

4、碳纤维盈利分析21

第四章总结23

第一章碳纤维概述

1、碳纤维定义

碳纤维是先进复合材料最常用的也是最重要的增强体。

碳纤维是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶的新型无机非金属材料。

化学组成中碳元素含量达95%以上。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。

通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。

高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。

强度大于4000MPa的又称为超高强型；

模量大于450GPa的称为超高模型。

碳纤维制造工艺分为有机先驱体纤维法和气相生长法。

有机先驱体纤维法制得的碳纤维是由有机纤维经高温固相反应转变而成。

应用的有机纤维主要有聚丙烯（PAN）纤维、人造丝和沥青纤维等。

将有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的，其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。

气相生长法制得的碳纤维称气相生长碳纤维。

2、碳纤维性能

碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等特性。

此外还具有纤维的柔曲性和可编性，比强度和比模量优于其他无机纤维。

但是碳纤维性脆，抗冲击性和高温抗氧化性较差。

主要用作树脂、碳、金属、陶瓷、水泥基复合材料的增强体。

它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。

因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。

材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料（如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料）的优异性能。

3、碳纤维应用

世界碳纤维的需求在各用途领域都不断增长，特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。

2001年世界对碳纤维的需求量为17900t，2005年达到21920t，2005年比2001年增长225%,2006年和2008年相应将达24190t和27740t,分别比2005年增长104%和198%。

预测到2010年世界碳纤维的需求量会增加到31910t，与2005年相比，增长456%。

目前，国内有少数公司经过自主开发创新，成功地生产出了高质量的PAN基碳纤维原丝，预计摆脱了国外原丝控制的中国碳纤维行业，将迎来飞速的发展。

据业内人士预计，2006年，我国碳纤维的需求量已超过3000吨，2007年将超过3500吨，2010年将突破5000吨达到5800吨。

碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。

具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。

特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。

此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：

低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。

但碳纤维很少直接应用，大多是经深加工制成的中间产物或复合材料使用。

在航空航天、体育休闲、工业应用等领域，碳纤维的应用相对成熟，世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测，如表1所示，三大应用领域中，宇航、体育用品稳中有增，工业应用大幅度上升。

第二章碳纤维生产工艺

碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。

由于碳的单质在高温下不能熔化，而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维，即目前人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成。

碳纤维按照生产工艺可分为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维和气相生长碳纤维（VGCF）。

目前，全世界主要生产两种碳纤维：

PAN基碳纤维和沥青碳纤维。

在强度上PAN基的碳纤维要优于沥青基的碳纤维，因此在全世界的碳纤维生产中占有绝对性的压倒优势，聚丙烯腈基碳纤维产量约占全球碳纤维总产量的90%，2005年统计世界聚丙烯腈基碳纤维生产量为33875t/a；沥青基碳纤维产量约为5500t/a。

1聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈纤维制备碳纤维属于有机先驱体纤维法。

即将有机纤维在200℃～400℃氧化介质（如空气、氧、臭氧、一氧化氮、二氧化氮、三氧化硫等）气氛中进行低温处理，纤维内部发生交联、环化、氧化脱氢、脱水、脱二氧化硫以及热分解等复杂的化学反应，使其变为热稳定型结构，能承受进一步高温处理，并保持现状而不熔融。

此阶段是形成纤维的稳定化过程，也称预氧化。

将这种纤维再在1000℃~1500℃的惰性气氛（高纯氮）中进行高温处理，此时纤维内部产生交联、环化、缩聚、芳构化等一系列化学反应。

排除其中非碳原子，使碳含量达90%～96%，并形成石墨的乱层结构，即获得碳纤维。

PAN纤维分子易于沿纤维轴向取向，碳化收率（1000～1500℃）为50～55%，在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏，此外在180℃附件存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理，这些特点使其成为迄今发展高性能碳纤维最受人注目的先驱体。

先驱体纤维的质量和性质是生产高性能碳纤维的前提。

优质的原丝具备高纯度、

高强度、高取向度、细旦化、致密化、结晶度、原丝圆形截面形状，变导系数等性能。

有了制造PAN基碳纤维的方法，也有了制造技术，所以制造高性能PAN基碳纤维原丝质量又成为一个技术焦点。

事实证明谁掌握了制造高质量的PAN基原丝谁就掌握了主动权。

聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。

原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。

碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。

2、沥青基碳纤维

沥青基碳纤维成为目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。

沥青基碳纤维分为两大类：

一类是通用级，由各向同性沥青制造；另一类是高性能级，由各向异性中间相沥青制造纤维。

沥青基碳纤维的制造工艺流程如下：

精制或调制℃）200～300℃）炭化惰性气氛（800～1200℃）炭化惰性气氛（1000～1400℃）℃）2000～3000℃）

3、粘胶基碳纤维

木材棉籽绒或甘蔗渣等天然纤维素与NaOH和CS2反应生成纤维素磺酸钠，提纯后采用一步或两步法制得粘胶，再经湿法纺丝成型和后处理等工序而制成碳纤维。

从粘胶纤维开发成碳纤维有三个主要步骤：

a、低温分解过程（小于400℃）；b、炭化过程（小于1500℃）；c、石墨化过程（大于2500℃）。

工艺流程如下：

水洗酸洗干燥干燥由粘胶纤维热解制得的碳纤维的得率通常在10～30%，由粘胶纤维制得的碳纤维，横截面形状大多不规则，一般呈树叶状。

粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料和隔热材料。

到目前为止粘胶碳纤维仍占据着其他碳纤维不可取代的地位，仍是重要的战略物资。

粘胶基碳纤维产量不足世界碳纤维总产量的1%。

它虽然不会有大的发展，但也不会被彻底淘汰出局。

在碳纤维领域仍会占有一席之地。

4、活性碳纤维

活性碳纤维是随着碳纤维工业发展而开发的新一代多孔吸附材料，也是传统吸附材料粉状活性炭的更新换代产品，我国有许多生产厂，如山西东绿活性碳纤维厂、山西省长治市郊区霍家工业总司活性碳纤维厂、鞍山市化学碳纤维公司、辽源化工新材料厂、秦皇岛山海关金龙环保材料厂、安徽佳力奇碳纤维有限公司河北中环环保设备有限公司以及南通市活性碳纤维厂等。

生产活性特性及其制品的原料主要有粘胶丝、PAN基纤维、沥青纤维和酚醛纤维等。

原料虽然不同，但生产工艺基本相似，需经前处理或稳定化、炭化和活化工序。

生产原理完全不同于碳纤维。

生产活性碳纤维的过程尽可能造孔，使其具有多孔结构，而生产碳纤维则不同尽可能消除孔隙裂纹或孔洞。

5、气相生长碳纤维

气相生长碳纤维（VGCF）和螺旋形碳纤维（CCF）属于功能型碳纤维。

气相生长碳纤维（VGCF）以低碳烃类为碳源，过渡金属铁、钴、镍等及其他们的合金、化合物等超细离子为催化剂，在氢气还原性气氛中使其烃类热解（1100℃左右）成碳而制得纤维状产物。

螺旋形碳纤维（CCF）的生成过程中，催化剂是基础，助催化剂是必备条件，如果没有助催化剂的存在，则生成VGCF。

催化剂是过渡金属等，助催化剂为S/P等，他们生成共晶体；助催化剂的存在可降低共晶体的熔点，有利于CCF的生成。

6、碳纤维的产品形式及制造工艺

碳纤维有四种产品形式：

纤维，布料，预浸料坯，和切短纤维。

布料指的是由碳纤维制成的织品。

预浸料坯是一种产品，是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料刚树脂浸泡使其转化成片状。

切短纤维指的是短丝。

按照不同的配比，这些产品和树脂一起应用将形成碳纤维强化塑料（CFRP）。

将树脂附在纤维上可以制成压力容器和轧滚，将它们缠绕在一个芯儿上，然后进行塑化或硬化处理。

这种方法被称为“缠绕成型法”。

将布料放入一个模型中，然后用树脂浸泡，这就是所说的“树脂转注成型法（RTM）”。

飞机元件的制造是通过在高压釜中给预浸料坯加热，加压和塑化成型而成的。

将预浸料坯缠绕在一个芯儿上，然后将其加

热和塑化，这就是所说的“薄片缠绕法”，用这种方法可以用来制成高尔夫球棒利钓鱼杆。

7、碳纤维的技术难点

我国碳纤维及其复合材料业存在的几个问题为：

原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。

尽管碳纤维生产流程相对较短，但生产壁垒很高，其中碳纤维原丝的生产壁垒是难中之难，具体表现在碳纤维原丝的喷丝工艺、聚丙烯腈聚合工艺、丙烯腈于溶剂及引发剂的配比等。

目前世界碳纤维技术主要掌握在日本的东丽公司、东邦Tenax集团和三菱人造丝集团，这三家企业技术严格保密，工艺难以外露，而其他碳纤维企业均是处于成长阶段，生产工艺在摸索中不断完善。

且由于国内原丝质量、生产技术及设备等原因，实际年产量仅为40多吨，无论是质量和规模与国外相比差距都很大。

71、原丝制备和CF（碳纤维）生产一体化

原丝品质直接影响CF性能的稳定性以及企业对碳纤维品质和生产成本的控制。

碳纤维生产成本中，原丝占50%~60%成本，在市场中只有掌握高性能的原丝生产技术，才能处于优势。

日本东丽集团早在1950年代就掌握了碳纤维的生产方法，但由于原丝质量差，严重影响了成品。

该公司自1962年起暂停了碳纤维的生产，花了5年的时间研究原丝制造技术，之后才成为全球碳纤维霸主。

现在，碳纤维生产厂商中无论是东丽、东邦人造丝（TohoRayon）、三菱人造丝（MitsubishiRayon）、台塑、韩国泰光及英国RK，原都是压克力棉的制造商。

最近韩国泰光的碳纤维原丝（Precursor）的供应者－英国RK，退出了碳纤维烧成市场，