詳細盤點PAN基大絲束碳纖維應用領域、成本因素及國內企業競爭力
摘 要
近日，有關“蘭州藍星2.5萬噸50K大絲束碳纖維項目落戶山東淄博”消息刷屏，大絲束碳纖維再次進入公眾視野。以低成本為驅動因素的大絲束碳纖維目前廣泛應用于風電、土木建筑、交通運輸等領域。
本文詳細介紹了大絲束碳纖維概念、主要應用領域及近幾年國內外大絲束碳纖維制造商動態，并針對大絲束碳纖維低成本原因進行了梳理，從技術角度進一步分析了國內大絲束碳纖維核心競爭力。
1大絲束碳纖維及其應用
PAN基碳纖維按照絲束規格可以分為小絲束和大絲束，絲束規格低于24k為小絲束碳纖維，它是指束絲碳纖維中單絲數量為1000-24000根；而大絲束碳纖維絲束規格≥48k，即束絲中單絲數量超過48000根。除了簡單的絲束規格進行區分以外，小絲束和大絲束碳纖維在力學性能、應用領域等存在顯著差異。
小絲束碳纖維力學性能優異，拉伸強度3.5-7.0 GPa、拉伸模量230-650GPa，主要用于主要應用于航空航天、國防軍工以及高端體育休閑用品等領域，因此又稱作宇航級碳纖維。
而大絲束碳纖維拉伸強度3.5-5.0 GPa、拉伸模量230-290GPa，一般都是應用到紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等領域，因此又稱為工業級碳纖維。如表1為卓爾泰克PANEX35性能指標與日本東麗T300碳纖維對比。
表1 卓爾泰克PANEX35碳纖維與東麗T300性能對比
小絲束碳纖維尤其是高強度碳纖維和高模量碳纖維屬于國外長期禁運產品，而且國內剛需明顯，國內外技術差距大，因此主要驅動因素是技術。宇航級小絲束碳纖維對可靠性、工藝性、穩 定性等要求極為嚴苛，目前我國的碳纖維產能主要集中于小絲束領域，但以低端產能如T300、T700等為主。
大絲束碳纖維連續性能雖然不比宇航級的小絲束，但是其技術壁壘也是相當高，作為工業級碳纖維，其核心驅動力在于低成本，因此在保證大絲束情況下如何有效控制成本極其重要。大絲束碳纖維制備屬于低成本生產技術，其售價只有小絲束碳纖維的50%~60%，同樣以PANEX35和T300兩款碳纖維對比，目前國內市場上東麗T300每公斤銷售價為1000元左右，而PANEX35每公斤售價則低于200元。
鑒于大絲束碳纖維也存在較高技術壁壘，導致目前大絲束碳纖維產量低于小絲束碳纖維。2014 年， PAN 基碳纖維產能約為 12.8 萬噸，其中小絲束碳纖維約占 72%，大絲束碳纖維約占 28%。在大絲束碳纖維市場中，日本企業所有的市場份額占產能的 24%，美日兩國合計能夠有 76%的大絲束生產能力。
大絲束碳纖維除了制備技術要求高，在后續應用過程中，由于纖維絲束較大、易于集聚，因此展紗效果不好，進而造成樹脂對纖維浸潤性較差，并易于產生孔隙等缺缺陷。另外，在大絲束碳纖維展紗過程中會出現亂紗和斷紗，導致力學性能分散性較大，進一步增加了大絲束碳纖維應用難度。
2近年來國內外大絲束碳纖維焦點事件
2.1 國外大絲束碳纖維焦點
2017年11月，特種化學品巨頭索爾維Solvay公司完成了對德國大絲束(50K)聚丙烯腈(PAN)碳纖維優質原絲生產商European Carbon Fiber GmbH (簡稱“ECF”)的收購。通過該收購，Solvay公司將進一步引領復合材料在汽車領域的應用潮流，并探索在航空領域采用大絲束碳纖維的潛力。
2018年4月，日本東麗公司決定增加其美國子公司卓爾泰克的大絲束碳纖維生產能力，計劃將卓爾泰克公司位于匈牙利工廠的產能從每年10000噸提高到15000噸，產能增加50％。卓爾泰克公司目前正在進行生產線改進，將其位于墨西哥工廠的產能從每年5000噸提高到每年10000噸。一旦匈牙利工廠現有的改造措施到位，卓爾泰克公司的年均產能將達到約25000噸。
2019年12月，Solvay公司和德國碳纖維制造商SGL（圖1）宣布達成聯合開發協議(JDA)，將批50k規格大絲束、中等模量(IM)的碳纖維復合材料推向民用航空市場，以期改善下一代民用飛機的生產工藝和燃油效率。其中碳纖維采用SGL公司提供的大絲束中等模量碳纖維和Solvay公司則提供樹脂體系。
圖1 SGL碳纖維公司在美國華盛頓州摩西湖碳纖維生產線
2.2 國內大絲束碳纖維焦點
上海石化：2016年5月，開展碳纖維48K大絲束原絲工業化研究試驗；2018年1月，成功開發大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化炭化工藝技術，形成千噸級PAN基48K大絲束碳纖維成套技術工藝包；2018年3月，成功試制出48K大絲束碳纖維，并貫通工藝全流程，單絲強度高于T300級碳纖維水平；2018年8月，“聚丙烯腈（PAN）基大絲束原絲及碳纖維技術及工藝包開發”項目通過鑒定，標志著國內突破突破大絲束瓶頸。
吉林化纖：2017年7月，在24k原絲研發經驗基礎上，開始研究48K大絲束碳纖維原絲，通過原液流程再造、關鍵裝備技術升級，于2018年7月成功開發出48K碳纖維原絲的聚合、紡絲工藝技術，形成了千噸級48K碳纖維原絲技術工藝包；2018年8月，100束48K碳纖維原絲順利通過碳化，經測試，48K碳纖維拉伸強度達到4000Mpa，拉伸模量達到240Gpa，層間剪切強度達到60Mpa；2019年5月，獲得批120噸48K大絲束碳纖維原絲出口訂單，國產48K大絲束碳纖維原絲次批量走出國門。
光威復材：2019年7月，光威復材與內蒙古包頭市九原區政府及九原工業園區管委會、維斯塔斯共同簽署了《萬噸級碳纖維產業園項目入園協議》，擬投資20億元，分三期在包頭市九原工業園區內建設萬噸碳纖維產業化項目；項目主要依托內蒙古低價能源通過建設大絲束碳纖維，進一步提升風電碳梁業務競爭力。
蘭州纖維：2019年6月，北京藍星清洗與蘭州纖維、南通星辰等單位采用國產的大絲束碳纖維（50K）與聚苯醚（PPE）樹脂熔融共混，成功研發出具有獨立自主知識產權的連續大絲束碳纖維增強改性聚苯醚（MPPE）熱塑性復合材料，填補國內該領域產品的空白；2020年3月，蘭州纖維公司負責人與沂源縣政府簽署招商引資戰略合作框架協議，蘭州藍星25000噸50K大絲束碳纖維項目落戶山東淄博沂源縣。
3大絲束碳纖維規模化驅動因素分析
近年來，隨著風電機組朝大型化、輕量化的方向發 展，超長的葉片對材料的強度和剛度提出了更高的要求，使得碳纖維及其復合材料在風電葉片領域使用廣泛，而大絲束碳纖維高速發展恰恰得益于風電業務的增長，因為大絲束可較好滿足風電葉片對性能和成本的要求。
CFRP與傳統玻璃纖維復合材料相比，可實現20%-30%輕量化效果，同時保持了更加有益的剛性和強度，而通過采用氣動效率更高的薄翼型和增加葉片長度，能提高風能利用率和年發電量，從而降低綜合使用成 本。
宇航級碳纖維雖然力學性能優異，但長期受到成本因素制約，因此難以在風電葉片領域實現推廣；相比之下，大絲束碳纖維性價比高的優勢使其在風電葉片領域成為大勢所趨。尤其是近年來國內采用大絲束碳纖維拉擠梁片工藝以降低成本，大 絲束碳纖維及其復合材料價格下降，疊加需求提升引起風電葉片領域 碳纖維用量的急劇增加。
國外風電發展也對大絲束碳纖維提出明顯需求，如風電領導者維斯塔斯2018年陸上風機新增裝機容量高達 10.09GW，維斯塔斯掌握了低成本的碳纖維資源(大約 13-14美元/公斤)，加上保護的拉擠板粘接梁帽的低成本復材技術，基本壟斷了碳纖維風電碳梁市場，2017年公司碳梁業務同比增長近 700%，2018年同比增長約 100%，達到 5.21億元。
而根據賽奧公司發布的2018年碳纖維產能需求領域，大絲束碳纖維需求總量達到近3萬噸（圖2），需求在各類纖維中占比達到32%。因此高速增長的風電產業為大絲束碳纖維發展帶來了契機。
總量：92,600噸
圖2 碳纖維市場需求 來源：賽奧碳纖維技術
4大絲束碳纖維成本與國內企業競爭力分析
4.1 大絲束碳纖維成本分析
造成宇航級小絲束碳纖維與工業級大絲束碳纖維成本差異的原因是多方面的，從表2大絲束和小絲束碳纖維關鍵制造工藝可以看出，小絲束碳纖維聚合過程中高AN含量、高分子量、雜質嚴格控制等均是導致成本顯著增加的原因，而后宇航級小絲束碳纖維需要產品認證再次為增加成本助力。
表2 大絲束與小絲束碳纖維制造工藝對比
依據美國橡樹嶺實驗室ORNL2012-2014年設計的成本計算模型（圖3），在年產2.5萬噸生產線上宇航級小絲束碳纖維成本大概為13.35美元/kg，而工業級大絲束為10.20美元/kg；但實際上2.5萬噸大規模生產線為理想狀態下，因為在千噸上線宇航級小絲束碳纖維成本會更高，與大絲束碳纖維價格差距更加明顯。
圖3 宇航級與工業級碳纖維成本對比 來源ORNL
而近ORNL在開發310k規格以上的紡織品級大絲束碳纖維，并且跟50k規格的普通大絲束碳纖維成本進行了對比（圖4），成本分析時關鍵裝備寬度為3m，通過絲束的進一步增加，457k規格大絲束碳纖維（Heavy Textile Tow）成本3.99美元/磅比50k規格（baseline）成本一半還要低。
圖4 50k規格與457k規格碳纖維成本對比 來源ORNL
4.2 國內企業競爭力分析
近年來在國內國外高速發展的需求牽引下，國內大絲束碳纖維制造商也相繼發力，2018年上海石化大絲束碳纖維技術通過鑒定標志著國內在大絲束領域突破了技術壁壘；而2019年吉林化纖大絲束碳纖維原絲次走出國門標志著國內在該領域實現產品穩定。
以上述上海石化和吉林化纖為例從技術角度分析，上海石化大絲束碳纖維關鍵技術來源于其獨有的NaSCN工藝，目前國內大部分PAN基碳纖維紡絲溶劑采用DMSO（國外：日本東麗DMSO、日本三菱為DMF、日本帝人ZnCl2、美國赫氏NaSCN），因此從大絲束碳纖維技術難度和NaSCN工藝獨特性，證明了上海石化在該領域關鍵技術獨創性。而吉林化纖公司的48k大絲束碳纖維關鍵技術路線也十分清楚，是在其24k碳纖維技術基礎上發展起來的，近年來吉林化纖高品質PAN原絲走出國門已是眾所周知的事情，因此突破大絲束碳纖維關鍵技術也是依靠深厚的技術積累。
對于國內碳纖維制造商而言，突破大絲束碳纖維力學性能并非難事，而對于技術過硬的大絲束碳纖維制造商，實現大絲束碳纖維性能穩定或許也并非難事；但問題關鍵在于大絲束碳纖維成本是否真正得到了控制，因為成本始終是決定工業級大絲束碳纖維能否占領市場的關鍵。
同樣以上述表1卓爾泰克PANEX35和東麗T300對比，PANEX35市場售價之所以僅為T300的1/5，其原因在于PANEX35超低的制造成本，PANEX35碳纖維的前驅體采用的是紡織品級腈綸纖維，并通過專有的高通量工藝制造，使其成為市場上成本低的碳纖維。
因此，從技術角度國內大絲束碳纖維生產廠商已經具有競爭力優勢，但是關于成本控制上還需要進一步深入。因為國產大絲束碳纖維直面國外競爭時，在性能達標的情況下，主要是成本驅動。鑒于碳纖維獨特的重工業行 業屬性，土地、能源、原材料、運輸等要素均會對成本產生顯著影響，區位優勢顯得格外重要，這也是為什么光威復材選擇在內蒙古建立萬噸級碳纖維項目原因。
一路走來，我們一起見證了國內大絲束碳纖維經歷了從無到有的過程，也希望能夠進一步見證從有到強，后衷心祝愿國內大絲束碳纖維制造商能夠在市場上占有一定份額。
