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罗益锋:国外碳纤维产业的发展现状

文章出处:网络责任编辑:管理员人气:发表时间:2015-08-29【

前言

      继2012年全球碳纤维市场低迷后,2013年1~3月市场开始回暖,体育用品和一般产业用途售价已恢复。在近期日本碳纤维协会召开在复合材料研讨会上,三菱丽阳公司预测自2012年至2020年间世界碳纤维的需求将以年均15%的速率增长,其中产业用途是其主要牵引力。美日欧主要碳纤维厂家已开始纷纷扩大产能,形成新一轮的扩产热潮。国外的碳纤维厂家基本实现了从PAN原丝、碳纤维、预浸料至复合材料或其制品的产业链,以实现利润的最大化。

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      中俄是未来碳纤维的大市场,继ZOLTEK的大丝束碳纤维厂家在华兴建合资生产厂后,美国道化学、DOW-AKSA先进复合材料控股公司与俄罗斯纳米及复合材料控股公司(HCC),决定在俄罗斯生产碳纤维中间体与复合材料,而DOW-AKSA与HCC进一步探讨在俄生产碳纤维的可能性。碳纤维市场的复苏和价格的回升,对我国碳纤维生产厂家是扭亏的机遇,但对碳纤维复合材料(CFRP)厂家却增加了生产成本,只有两者兼有的厂家才能实现合理的平衡。 本文来自123

1. 聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)生产厂家的新动向 内容来自123456

1.1 东丽

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      东丽2012年4月至12月PAN-CF及CFRP的销售额比2011年同期只增长30亿日元,达到563亿日元,盈利却减少21亿日元,只达到55亿日元,其中10月至12月的盈利减少13亿日元,只达到13亿日元,原因是销售价下降致使减益10亿日元。2013年1月至3月营业利润预期将恢复至25亿日元,主要原因是①体育用品及一般产业用途的产品价格已恢复,②日本国内上了新生产线,消除了因定期检修带来的价格上扬,③由于日元下跌使纯收入增加。2013年1月B-787因出现问题而停运,但B-787的生产却从预定的月产5架增至7架,因此对东丽的PAN-CF销售并无影响。此外,B-777飞机的产量也扩大了,因此对PAN-CF在该领域的需求无影响。 copyright 123456

      在全球市场方面,由于美国页岩气革命而带来压力容器需求的增长,而随着汽车用CFRP中间体及成型技术的开发,及燃料电池市场的开拓,通过与德国戴姆勒的合作积极推进在汽车领域的应用,同时到2013年底B-787的产量将从月产7架增至10架。因此市场在快速复苏。由于2013年笔记本电脑小型化、轻量化的需求增长,东丽正探讨量产所需碳纤维。东丽面向风力发电叶片等产业用途的碳纤维需求在增长,因此自2012年10月起售价上调10%~20%,由国际价格27美元/Kg提高至30美元/Kg左右(2011年最高价为35美元/Kg),T300的亚洲价则由2012年底的20美元/Kg上涨至25美元/Kg。

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      2013年3月东丽从童梦集团收购了泰国的CFRP部件生产企业Carbon Magic公司,它拥有高精度热压罐技术,可生产汽车部件、医疗器械部件(CT床板、X-射线盒等)。为此,东丽继2013年1月在韩国的子公司TAK建成2200t/a的PAN-CF生产厂后,2014年3月将在龟尾新建2500t/a的新设备,使TAK的产能达到4700t/a,以满足新市场的需求。东丽目前的产能为21100t/a,计划到2015年3月PAN-CF总产能达到2.71万t/a,2020年达到5万t/a,相当于现有的2.4倍,预期销售额将从2012年的750亿日元,扩大至2020年的3000亿日元,提高4倍。2012年4月4日东丽所开发的B-747碳纤维及预浸料获日本内阁总理大臣奖。

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1.2 东邦Tenax及其母公司帝人

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     帝人预测到2020年全球碳纤维的需求量将猛增4倍,如图1所示,增量最大的是包括汽车在内的一般产业用途。 123456

 
图1

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 碳纤维厂家 copyright 123456

  
      帝人确立了面向汽车部件的CFRP在1min以内的成型技术,与以往法相比生产速度提高了10倍,并在美国投资约300亿日元将在田纳西州兴建5000t/a新碳纤维厂,使该公司的总产能达到18900t/a,预期到2021年3月碳纤维产业化的销售额由目前的400亿日元增至1500亿~2000亿日元。2012年11月中旬,产能为日产1万个碳纤维增强热塑性树脂(CFRTP)制品的中试设备,于松山事业所投产,可进行试制品的快速性能评价和复杂成型品与大型CFRTP制品的试制,成型时间在1min以内。现帝人在美国底特律市郊建立销售CFRTP制品和开展应用开发的新公司,计划于2013年4月开账,并与GM公司共同推进面向汽车结构材料为中心的用途开拓。 本文来自123

1.3 三菱丽阳 copyright 123456

       三菱丽阳预测,世界碳纤维的需求将从2012年的3.85万t分别扩大至2013年的4万t、2015年的6.3万t和2020年的14万t,年均增长15%左右。需求扩大的牵引力主要是:①海上大型风电叶片,②汽车轻量化部件,③压缩天然气瓶。汽车用途从2012年的2500t分别扩大至2015年的5000t、2017年的1万t和2020年的2万t。飞机用途将从2012年的8000t增至2020年的1.8万t,年均增长11%弱。体育休闲用品将从2012年的7800t,以年均5.5%的增速发展。 123456

      从供应面看,世界PAN-CF的总产能预期将以年均20%增长,到2020年可望超过10万t/a。该公司为适应新形势的需要,自2012年后期起大手笔、大规模、采用各种手段强化其碳纤维产业链。 copyright 123456

       继2012年6月在大竹事业所投产2700t/a的大丝束“P330”系列PAN-CF的生产线使总产能达到1.1万t/a后,计划再建1条2700t/a的同样生产线,以确保到2015年总产能扩大至1.38万t/a。考虑到2015年后欧洲以汽车和风电叶片市场为中心的需求可望扩大,不仅须满足与SGL公司的大丝束原丝合作,还要满足海外其他汽车等公司对P330碳纤维的需求,因此正探索构筑从原丝到碳纤维的一整套新生产基地。考虑到以北美为中心的卡车和公共汽车对CFRP压缩天然气瓶的需求不断增长,而亚洲和南美的短距离输送用气瓶的需求也正式显现。 copyright 123456

       2012年10月起通过改造的美国小丝束高强PAN-CF生产线并于2013年4月投产,来满足上述需求,并考虑进一步扩建的可能性。该公司自2012年11月以来,相继与4家日本国内外下游企业协作以扩大碳纤维产业链,今后2年间还将与10家企业协作,以构筑新的集团体制,其中包括与风电叶片厂家缔结同盟协议。首先吸收合并了三菱化学下属的丙烯腈、丙烯酰胺企业,并强化在美国的碳纤维与复合材料制造与销售企业Grafil公司,实现从单体原料至CFRP制品的整套产业链,增强全球竞争力。收买日本レンヂ(琦玉县狭山市)和德国TK Industries两家CFRP企业,前者拥有热压罐设备,并设计制造CFRP赛车及部件,2013年上半年还将引进大型压机及缩短加工流程的设备,后者是碳纤维多轴织物的生产厂家,其技术实力和开发力高,在汽车和一般产业领域拥有实绩,今后可将三菱生产的P330系列PAN-CF(T700型)大丝束共同开发多轴织物。与韩国SK化学品公司协作,在韩国蔚山工厂委托生产碳纤维预浸料,由三菱丽阳长期供应碳纤维,同时向我国青岛厂稳定供应碳纤维。 copyright 123456

       为强化碳纤维高尔夫球杆和预浸料产业,花2200万美元收购了美国Aldila公司。美国Aldila是美国最大和世界领先的碳纤维制高尔夫球杆生产厂家,在加州和越南胡志明市有生产据点,拥有从预浸料到成品的整套生产线,在设计能力、品质、性能和成本方面,具有很高的竞争力,2011年的销售额为4800万美元。三菱丽阳还强化在美国Grafil公司的PAN-CF产业,自2012年第四季度起便改造现有设备,现已开始生产面向压力容器的最适合的小丝束高性能碳纤维“Grafil 37-800”,今后随着北美油页岩气突然出现景气,压缩天然气瓶的需求大增,今后随着车载燃料电池的普及,高压容器的需求将进一步增长。

本文来自123

1.4 其他公司 123,123

       韩国晓星经3年的自主研发已成功开发了首次中档性能的PAN-CF,并投资2亿欧元在Jeonju Eco高技术综合企业建设新PAN-CF厂,产能2000t/a,2013年完工,该公司计划再投资8亿欧元于2020年完成扩建至1万t/a的目标。 copyright 123456

      俄罗斯Alabuga纤维公司预计将兴建2条PAN-CF生产线,一期工程将投资6300万欧元(250万卢布)兴建1500t/a的生产厂,总工程费1.06亿欧元(420万卢布)。

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      美国道化学、道-AKSA先进复合材料控股公司(DowAksa)和俄罗斯Rosnano及其复合材料(HCC)控股公司,签订了战略策协议定书,由HCC所运营的俄罗斯预浸料ACM公司与复合材料纳米技术中心两公司出资建设碳纤维中间体及复合材料生产线。其中道化学拥有复合材料技术,而DOW-AKSA拥有PAN原丝及碳纤维生产技术。
2010年印度Kemrock工业公司在Vadodara开创了印度首家PAN-CF生产线,包括丙烯腈聚合、纺丝和碳化,技术来自Bengaluru的CSIR国家航天实验室,产能为400t/a,商品名“JAITEC”。Kemrock工业与出口有限公司(KIEL)在纤维增强塑料方面是领先的制造企业之一,现已生产出一系列用于工业用途的碳纤维产品,并生产CFRP和预浸料供应国防、航天、风能、交通运输和土木建筑行业。

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       ZOLTEK为适应风能和其他用途对低成本碳纤维预浸料日益增长的需求,决定在美国圣路易郊区扩建新的预浸料生产装置及新的技术中心。除此之外,ZOLTEK在匈牙利、墨西哥和美国德克萨斯的Abilene拥有碳纤维生产厂,并将在中国合建大丝束PAN-CF厂。

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2. 碳纤维增强塑料(CFRP)的最新动向 123,123

       美国Axon Automotive公司与碳纤维厂家东丽、编织专业厂家Eurocarbon和树脂供应商Scott Bader合作凭借被称作Axontex的国际专利技术,开发全碳纤维汽车一次结构材料,预成型体的芯是低密度聚乙烯泡沫密闭元件,其表面采用碳纤维编织物,形成三维织物结构,质量只有500Kg,使车辆比以往车减重50%。 123456

    沙特SABIC创新塑料公司正扩充聚醚酰亚胺(PEI)树脂产业,并与可乐丽公司合作开发PEI纤维,待2013年其3000t/a碳纤维生产线建成后,将大力开拓碳纤维增强PEI在电气、电子、半导体、航空、航天、汽车和医疗等领域的应用。 123,123

      藤仓橡胶工业公司是高尔夫球杆的顶级生产厂家之一,最近利用独自的复合材料积层设计和简状制品的高品质成型加工技术,以及新确立的硬质铬的电镀技术,开发了CFRP中空棒材代替以往的金属滑动材料,其挺直度、同轴度实现了微米级的高精度,与非电镀品相比,耐油和耐药品性大幅度提高,将应用于汽车和精密仪器方面。 内容来自123456

       三菱树脂等6家公司开发了适应建筑物梁和柱的新型补强工法“CFRP波形固定工法”,通过将CFRP棍插入有开孔的柱中,来固定波形的CFRP板,加固时无需重型机械,寿命长,最近取得了日本建筑物综合试验所出具的“建筑技术性能证明”的认定,并开始销售。

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       日铁复合材料公司(NCK)从事CFRP等高性能复合材料的制造及其在土木建筑补强材料、精密机械部件、液晶、半导体制造设备、车辆机械等的应用,在日本取得了重大业绩,最近开拓了面向隧道挖掘工法“NOMST”的混凝土补强材料,可以进一步缩短工期和削减成本,正期待开拓海外市场。增强纤维有PAN-CF、对位芳酰胺纤维和玻纤。 本文来自123

      日本IST集团的超树脂工业公司建设了CFRP成型用的预浸料专用工厂,预计2013年秋开始投产,使产能扩大至以往的7倍,约月产20万m。现该公司保留2条溶剂法预浸料生产线,用于生产少量的多品种特殊制品,其他为适应于高效大规模生产的热熔法预浸料生产线,产品正提供给在我国的子公司。 copyright 123456

       大型CFRP叶片及风机,在国外发展很快,使用时将数十层厚的1Kg/m2以上碳纤维预浸料加以积层。在我国根据风电发展路线图,到2050年风电占总发电量的比例要从目前的1%增至17%。
川崎重工开发了面向巴西区间飞机动翼的CFRP部件(KMS-6115),采用一般产业用碳纤维和高韧性环氧树脂,使拉伸强度提高60%、压缩强度增加30%,实现了高性能和低成本的航空用CFRP材料。迄今已生产1000架使用该动翼的飞机。

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3. CF和CFRP加工机械部件

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       德国TOPOCROM公司开发了适用于碳纤维加工过程的导丝辊和其元件(图2)。一般的罗拉在导丝过程易产生断丝(图3)或毛丝(图4),由此常发生中断现象,而该公司设计的罗拉表面如图5所示,绝对无锐边并形成“软”形态(图6),在丝束行进过程形成气垫而有利于更好滑动(图7),总之,它适用于加工碳纤维、芳纶、玻纤、陶瓷纤维及玄武岩纤维,而且具有高耐磨和耐腐蚀性、寿命长、均匀的表面结构而有利于纤维的缓和处理,可达到最佳拉伸状态、滑动性良好,并具有良好的缓冲和减震作用。 
 

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  玉川工业公司开发了高精度的CFRP大型板材的切断装置,可加工厚度200mm、宽200mm、长1.2m的板材,该切断机有7大特点:①将4角支撑组合起来,并装备采用密闭式的无油心轴,使偏差和耐久性获得飞跃式提高,并实现免维修;②随着主轴刚性的提高,可搭载1.5kW的马达。③由于砂轮头和工作台可以旋转,可一次装卡而同时进行垂直和平行加工;④通过控制变换器调整切速改进容量,可自由选择切速;⑤提高工作台前后动作部件的刚性,而且前后的输送罩采用可动式,以防止杂物进入;⑥全轴可决定高精度的位置;⑦为保持柱子的刚性,采用两端支柱和横轴滑动梁的门型结构。机械尺寸宽2.3m、长3.2m、高2.15m,重2.5t,外形如图8所示。

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图8 copyright 123456

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      德国Sahm公司开发并销售了新的高性能纤维自动卷绕设备“Twinstar II 360XE(图9)”,它配备有新的筒管自动化处理系统(图10),它通过电子数据输入所有卷绕参数而实现快速高效的产品更换、电子控制卷绕比、纱线定长、定时、定重、定卷绕直径和周期等6大特点。

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图10 123456

 

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5. CFRP废弃物的处理与碳纤维的回用
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      德国Sueksen纤维研究所(STFI)研发了由CFRP废弃物回收CF并制成长50~100mm的粗纱或非织造布,并研制正常碳纤维与再生碳纤维混杂非织造布。

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      Tuligen纤维塑料研究所(TITK)正研发将切断破碎的碳纤维形成网状预成形体的技术。 本文来自123

      CFK Valley Stude Recycling公司研发了将10mm长的再生碳纤维形成网片的技术(一般的技术只能采用30~100mm的短切再生碳纤维),然后将其针刺加固,再制成CFRP或内装坐席与大管子等。 123456

6. 新型高韧性树脂和固化剂 本文来自123

       日本DHM公司通过树脂设计的最佳化,成功地开发了断裂伸长和耐热性兼有的两种高韧性树脂,一种是强度和延伸率平衡性优良且耐热好的FRP用高韧性树脂,另一种是低粘度且可以注射成型和真空成形的乙烯酯系CFRP用高韧性树脂。

    2011年DHM公司曾开发兼有强度和耐疲劳性的CFRP用高韧性树脂,2012年通过树脂基体骨架设计和分子量最佳化,在开发适用于注射和真空成型用的CFRP高韧性树脂,其中CF与树脂界面的粘合性好,其机械性能如表1所示。

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      セイカ集团(和歌山县海南市)最近建成产能500t/a(一期工程)的环氧树脂固化剂厂,产品提供给B-787的CFRP部件生产企业等。 copyright 123456

结束语 123456

      碳纤维企业要在全球日益激烈的市场竞争中占有一席之地,从发展战略上须构筑从原料、PAN原丝、碳纤维、预浸料、织物至CFRP制品和部件的全套产业链,实现利润最大化。不具备条件的企业可与相关上下游企业建立战略伙伴关系。 123,123

      为了扩大PAN-CF的应用领域,有些厂家正开发与通用级沥青纤维(P-CF)的混纺纱以及它与高性能中间相P-CF的混合预浸料取得了取长补短的效果。应重视高韧性树脂和相应固化剂的产业化,使高性能碳纤维在CFRP中能发挥其极限性能。

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      我国一家企业生产独自发明的陶瓷中空微珠,可作为CFRP的相对廉价增强材料,可提高其耐磨性、耐热性、隔热性、抗燃性、电磁波屏蔽性、拉伸强度和模量等,提高CFRP产品的附加值。 copyright 123456

      全球CF和CFRP需求量的快速恢复和增长,为我国碳纤维企业的扭亏为盈创造了良好的机遇,但在产能集中度方面尚有大量工作需要协调解决。 123456

 
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