聚丙烯腈基碳纤维产业发展前景分析

李香梅

(中国石化上海石油化工股份有限公司， 200540)

聚丙烯腈基碳纤维产业发展前景分析

李香梅

(中国石化上海石油化工股份有限公司， 200540)

介绍了国内外聚丙烯腈基碳纤维发展状况，指出国内聚丙烯腈基碳纤维产业目前仍存在技术无特色、质量产品差及核心技术缺乏等诸多问题。分析了国内外聚丙烯腈基碳纤维的市场需求，认为只有坚持自主创新、降低生产成本、加强应用研究和市场开发，才能推动国内聚丙烯腈基碳纤维产业健康发展。

聚丙烯腈 碳纤维 发展 分析 对策

1959年日本人进藤昭男发明了用聚丙烯腈原丝生产碳纤维的方法。1962年日本东丽(Toray)公司开始生产并积极研制用于生产碳纤维的专用优质原丝，并于1967年成功生产T300聚丙烯腈基碳纤维。英国皇家航空研究所的Watt等人对聚丙烯腈纤维生产进行技术改进后，英国考陶尔公司利用这项技术开始生产高强度、高模量聚丙烯腈基碳纤维。1969年日本Toray公司研究成功用特殊的单体共聚而成的聚丙烯腈制成碳纤维原丝，结合美国联合碳化物公司的碳化技术，生产出高强度、高模量碳纤维。此后美国、法国和德国也都通过引进技术或自主开发生产聚丙烯腈原丝及碳纤维，但日本Toray公司的碳纤维研发与生产一直处于世界领先水平。特别是20世纪90年代以来，由于聚丙烯腈基碳纤维性能优越，应用领域日益扩展。目前世界聚丙烯腈基碳纤维已进入发展旺盛的成熟期。

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第1条产能2 t/a的聚丙烯腈基碳纤维扩大试验生产线。80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一条规模为40 t/a的中试生产线。

尽管如此，我国碳纤维生产与国外相比仍有很大差距，产量和质量均不能满足市场发展需求。制约我国碳纤维发展的首要原因是聚丙烯腈基碳纤维原丝质量不过关，其次为生产技术及设备等其他因素。

进入21世纪以来，国内碳纤维产业得到较快发展，目前利用自主技术研制的少数国产碳纤维产品已经达到国际同类产品水平［1］。

1 聚丙烯腈基碳纤维发展分析

1.1 产能

21世纪仍是世界聚丙烯腈基碳纤维生产的快速发展时期。目前聚丙烯腈基碳纤维产量约占全球碳纤维总产量的90%。世界上聚丙烯腈基碳纤维的生产也已分化为以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束碳纤维两大类。日本和美国所产的碳纤维约占全球碳纤维总供应量的80%。Toray、东邦(Toho)及三菱人造丝公司(Mitsubishi)这3家以腈纶纤维为主要产品的日本公司，依靠其先进的纺丝技术形成高性能原丝生产优势，通过大量生产高性能碳纤维使日本成为碳纤维大国，3家企业的产量之和占据了世界碳纤维总产量的78%左右，无论质量还是产量均处于世界前列，而且基本控制了世界高性能小丝束碳纤维的生产。而福塔菲尔(Fortafil)、卓尔泰克(Zoltek)、阿尔迪(Aldila)和爱斯奇爱尔(SGL)等4家公司则垄断了世界聚丙烯腈基大丝束碳纤维的生产，其中Fortafil公司聚丙烯腈基大丝束碳纤维的生产能力居世界首位。

受国际金融危机的影响，2009年全球聚丙烯腈基碳纤维生产厂家普遍陷入亏损的状态。2009年全球聚丙烯腈基碳纤维的总产能为78 kt/a，产量约为58 kt，而2009年全球聚丙烯腈基碳纤维的实际需求量为35 kt，产能及产量均明显超过需求。为避免产生大量库存，生产企业纷纷采取限产措施。直至2010年全球聚丙烯腈碳纤维市场才出现了回暖的迹象。2008－2014年全球碳纤维产量及预测见表1。

表1 2008－2014年世界碳纤维产量及预测 t

2007年以前虽然我国聚丙烯腈基碳纤维产量年均增长率为25.8%，但2007年产量也仅为250 t左右。从2008年开始，我国碳纤维在技术上取得突破，建成了千吨级的生产装置，产量成倍增加，2009年产量已达1 000 t，年均增长率达到100%。但受技术不成熟、装置不稳定等因素影响，许多装置不能正常开车或处于停产状态，平均开工率仅为10%左右。预计到2015年国内碳纤维产能将达到20 kt/a，产量将在l0 kt，产量的年均增长率将会稳定在 45%［2－3］。

近年来，通过合作和自主创新，国内碳纤维实现了规模化生产。2008年12月中复神鹰碳纤维有限公司万吨级碳纤维装置的一期工程——千吨级碳纤维装置建成投产，成为我国第1条能达到经济规模、原丝能够自给的碳纤维工业化生产线，国内外供需矛盾也得到一定程度的缓和。国内主要碳纤维生产厂家及产能情况见表2。

另外，目前全国有14个省市22～25家企业也将开始建设碳纤维原丝、碳纤维及复合制品生产线。

表2 2009年国内碳纤维及复合材料产能 t/a

1.2 消费情况

我国聚丙烯腈基碳纤维的消费结构与日本类似，多集中在体育休闲用品领域。未来的发展重点是新兴工业应用领域，其中风力发电机叶片、建筑材料、汽车、压力容器和高压输电线潜力很大，预计到2020年仅风机叶片对碳纤维的需求就将达万吨。

过去10年我国碳纤维的消费年均增长率为12.4%。受国外碳纤维出口限制，国内碳纤维的消费被严重抑制，消费量增长率变化较大。尤其是在2006－2008年的3年间，由于全球供应不足导致碳纤维产品价格高企，造成国内市场消费量接近零增长，甚至出现负增长。未来随着国内碳纤维供应量的提升以及新兴领域需求的快速增长，国内碳纤维消费量将会稳步增长。预计到2015年国内碳纤维消费量将达到20 kt左右，年均增长率将达20%以上(见表3)。但与欧、美、日等发达国家和地区相比，国内碳纤维在新兴工业及航空航天等领域的应用还有很大空间(见表4)。

表3 2000－2015年国内碳纤维消费量及预测

表4 国内外碳纤维消费结构对比 %

1.3 进出口情况

目前我国聚丙烯腈基碳纤维产业的总体水平远落后于发达国家，全球聚丙烯腈基碳纤维的市场95%以上的份额掌握在国外大型企业的手中。国产聚丙烯腈基碳纤维产品集中在通用、基础和低档次品种上，在产品性能和成本上难以与国外产品竞争，不能完全满足国内市场需求，国内市场缺口巨大。2000年我国聚丙烯腈基碳纤维产品的自给率仅为2.3%，2009虽年有所上升，但也仅为16.1%，大部分仍需依赖进口。随着未来国内企业产能的不断增长，预计到2015年国内碳纤维的自给率将达到45%左右。

2009年聚丙烯腈基碳纤维进口量以碳质量分数90%左右的特种碳纤维纱线及其他制品为主，占总进口量的67%，而进口单价则以碳纤维布和棒最高，是其他品种的3倍。这表明经过一次加工后的碳纤维产品附加价值远高于初级碳纤维产品。

2008年以前，国内聚丙烯腈基碳纤维的进口量逐年增加，年均增长17.3%，2008年达到最高，为8 128 t。到2009年，外贸订单的减少使得国内聚丙烯腈基碳纤维的进口量和出口量双双下降。未来随着国内新兴领域对碳纤维需求量的快速增加，碳纤维的进口量将重新恢复增长的趋势。

国内碳纤维市场存在着巨大的市场缺口，进口量占据国内大部分市场份额。但与此同时，我国还有部分碳纤维出口量，这与国内供应紧缺的现状相矛盾。这样的贸易现状背后隐藏的是我国进出口结构的不平衡。2009年我国碳纤维的进出口贸易情况见表5。

表5 2009年国内碳纤维的进出口贸易情况 t

在我国碳纤维进出口贸易中，碳纤维布和棒的进口主要以一般贸易为主，占一般贸易总进口量的83%;而以加工贸易形式进口的碳纤维数量占到了加工贸易总进口量的90%，即其中绝大部分是为国际市场进行加工的原料;碳纤维纱线及其他制品的加工贸易进口量也占到了总进口量的61%，大部分也是为国际市场进行加工的原料。总出口量中，一般贸易占到了81%，说明我国碳纤维的出口多以自主加工后出或贸易商出口。占进出口重要地位的是加工贸易的方式，相当部分碳纤维进口企业都是加工贸易企业。这种情况清晰地显示了我国作为全球生产基地的地位，表明加工贸易是我国参与国际分工的重要路径，但同时也说明我国自主出口产品的国际竞争力还有待提高。

2 国内聚丙烯腈基碳纤维存在的主要问题

2.1 整体水平不高

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。目前国内碳纤维生产装置的建设地点遍布我国东、中、西部20多个省(市)，利益主体不同，规模大小不一，技术水平参差不齐;有些装置远离主要原料产地，难以做大做强，也难以整合。

从技术层面看，由于多数碳纤维生产企业技术水平和工艺路线处于同一档次，技术无特色，产品低质量，属于低水平重复建设，因而影响了碳纤维的规模生产和全球销售。从市场需求看，制备增强树脂复合材料是碳纤维的主要市场，约占90%以上的市场份额，由于对碳纤维质量有较高要求，多数国产碳纤维产品质量目前还达不到要求。从环保方面看，碳纤维的主要原料——丙烯腈属剧毒和易燃、易爆产品，不宜长距离运输;生产过程中的污水和废气治理技术难度较大，成本也较高。此外国内碳纤维企业规模小、分布散，加大了企业的安全和环保成本，不利于整个行业的可持续发展。

2.2 缺乏核心技术

国内碳纤维虽然经过了一段时期的发展，但是与国外的技术水平还存在一定的差距，也存在一些在竞争中不容忽视的问题。首先，原丝质量与国外相比还存在差距，由于国产碳纤维原丝在生产过程中大部分采用民用腈纶原液，杂质的质量分数较高，造成碳纤维性能不稳定，纤维离散系数较大;其次，大部分国产碳纤维未经过表面处理，制成的复合材料层间剪切强度偏低，没有经过表面处理的国产碳纤维不能用作高性能要求的先进复合材料增强体，也不能用来制作航空、航天器材中的主承力构件;再次，存在生产装置尚未形成经济规模、产品价格贵及成本组成不合理的情况。国产碳纤维目前售价过高，远比国外进口同类产品的价格要高。我国碳纤维的质量、技术以及生产规模都与国外差距很大，尤其是我国碳纤维行业缺乏具有自主知识产权的核心产业化技术，目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术，特别是中高性能碳纤维技术，更是被西方国家垄断和封锁。从技术研发到产业化难度较大，产业发展不会一蹴而就，因此碳纤维要真正实现国产化需要一个漫长的过程［4］。

3 促进国内聚丙烯腈基碳纤维发展的建议

3.1 尽快掌握核心技术

坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路。碳纤维是军需战略物资，是国防建设、先进武器不可或缺的关键材料，不可能也不应该长期依赖进口，只能依靠自力更生、自主创新研发。碳纤维生产工艺流程长、技术关键点多，是多学科、多技术的集成，发展我国的碳纤维工业，当前首先要解决工程化问题。可采用消化吸收引进技术与自主创新相结合办法，尽快实现规模化工业生产，在工程实践和生产实践中锻炼人才，积累经验，在发展中不断提升技术水平，真正掌握核心技术。在工艺技术上必须首先解决原丝质量问题，同时加强预氧化、碳化、石墨化设备及表面处理等工程技术的研发。在熟练掌握碳纤维生产技术的前提下，在碳纤维原丝生产上取得突破，发展高质量的上游产品生产线，保证碳纤维生产稳定、高质。

3.2 实现生产一体化以降低生产成本

原丝品质直接影响碳纤维性能的稳定性以及企业对碳纤维品质和生产成本的控制。价格是制约碳纤维发展的主要因素，在保证质量的基础上降低成本，产品才有实用价值，为广泛应用创造条件，才能带来碳纤维工业的高速发展。降低成本的主要措施有降低碳纤维用原丝成本及采用新型节能技术和装备等。世界上碳纤维生产厂商都在致力于降低碳纤维生产成本。国外一些知名的碳纤维公司，如东丽、东邦和三菱人造丝公司等均拥有配套的原丝生产装置。

3.3 加强应用研究和市场开发

碳纤维很少直接使用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料后使用。为此，应大力开展应用研究，扩大使用范围，形成产业链。同时努力提升碳纤维的附加值，通过上下游产业共同努力，促使我国碳纤维产业走上快速发展轨道。我国应逐步建立和健全碳纤维工业生产及应用研发体系，立足自身，加强交流与合作，同时密切关注国际上著名碳纤维生产厂商技术发展进程，借鉴其发展经验，加快发展步伐，努力缩小差距。现阶段的应用研究应着力于碳纤维及其复合材料相应标准的建立，如碳纤维及其复合材料性能表征、质量控制与保证，以及复合材料的修补技术、回收使用技术等。

3.4 加快推进碳纤维国产化

目前制约我国碳纤维发展的主要因素有两个:一是碳纤维原丝质量问题，二是缺少适用的耐高温材料及大型高温炉。为了打破国外技术及产品垄断，满足国内市场需求，国内部分化纤企业加大了高性能碳纤维的投入，使我国碳纤维生产规模迈上了千吨级的新高度，推动了我国碳纤维产业化进程。这些项目的实施使我国高性能碳纤维产业化生产实现了突破，影响并带动了其他高新技术纤维的发展，对满足我国军用、民用两个市场需要，起到了较好的示范作用。

［1］ 陈杰，吴永兴，张振声，等．国内碳纤维发展态势分析［J］．高科技纤维与应用，2007(2):22－25．

［2］ 金立国．我国碳纤维工业现状和碳纤维应用［J］．合成纤维，2009(10):1 －6．

［3］ 钱伯章．国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展(1)［J］．高科技纤维与应用，2009(5):38－42．

［4］ 王学彩，李峰，唐有守．我国碳纤维行业发展综述［J］．山东纺织科技，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，毕业于郑州大学科技英语专业，经济师，现从事上市公司投资者关系管理工作。