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碳纤维行业报告:轻量化应用前景广阔的特种纤维(29页)

行业报告下载 2020年12月15日 06:59 1 管理员

按原材料的不同,碳纤维可分为三类。世界上能够达到工业规模化生产的主要 有聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维三种,其中 PAN  基碳纤维占据绝对主要地位,份额达 90%以上,其次是沥青基碳纤维约占 6-8%, 黏胶基碳纤维产量最低。 产业中最早开发的是黏胶基碳纤维,该类纤维强力较低,主要应用于耐烧蚀材 料及隔热材料。沥青基碳纤维弹性模量好,热膨胀系数小、热导率高、但抗拉 强度和抗压强度低,且沥青的提取成本较高。PAN 综合性能最好,价格适中, 生产难度较沥青更低,品种多,是全球碳纤维市场的主流产品。根据应用领域的不同,碳纤维按照丝束大小通常可以分为大丝束碳纤维和小丝 束碳纤维。一般将 48 K(每束含有 48 000 根碳纤维)及以上称为大丝束碳纤 维,也称为工业级碳纤维,主要有 50、60、120、240、360 K 等;反之则称 为小丝束碳纤维,也称为宇航级碳纤维,主要有 1、3、12、24 K 等。从 20 世 纪 60 年代 PAN 基碳纤维的技术突破开始到现在,市场一直以小丝束碳纤维为 主要产品。 大丝束碳纤维虽然过去就有生产,但是由于其抗拉强度不高,与小丝束有较大 差距,所以大丝束碳纤维一直没有得到重视,也没有被广泛应用。直至近年来, 大丝束碳纤维性能提升,价格优势更加明显,在工业领域里具有更强的竞争力, 尤其是 2013 年,德国宝马部分款型汽车采用 SGL 公司生产的大丝束碳纤维, 打开了大丝束碳纤维在汽车领域的应用之门。

大丝束碳纤维应用的整个产业链技术也取得突破性进展,大丝束碳纤维迎来了发展的“春天”。碳纤维制造过程核心是将通过纺丝过程获得的原丝经过一系列高温热处理工程 转变为碳纤维的过程。以主流产品 PAN 基碳纤维为例:从 PAN 原丝开始,通 过丙烯腈单体聚合再通过湿法或干湿法纺丝得到原丝,经过预氧化、碳化、石 墨化的过程,使高分子发生氧化、热解以及环化等一系列化学反应,形成石墨 态的碳纤维。PAN 原丝是制造碳纤维的原材料,原丝的性能很大程度可以决定碳纤维的性能。 PAN 聚合溶液制备通常是丙烯腈在二甲基亚砜(DMSO)中聚合,经脱单脱泡 后过滤,用于 PAN 原丝制备。基于聚合装备和技术传统,国内大部分碳纤维生 产厂家采用该法,结合间歇或半连续聚合工艺流程。间歇聚合即聚合主题过程 在独立设备和时段内一次完成,进出料均为间歇过程,严格按批次操作。 从生产性和可行性角度考虑,大部分企业采取 PAN 基碳纤维的主流纺丝方法是 湿法纺丝。其中,国内的湿法纺丝仅限湿喷湿纺,即喷丝板浸入凝固浴中,纺 丝原液通过喷丝板直接浸入凝固浴,把干喷湿纺称为“干湿法”,即喷丝板不直 接与凝固浴接触,纺丝原液从喷丝板喷出后经过空气段进入凝固浴。干喷湿纺 技术可以明显提高在纺丝过程中的牵伸倍率,因此 T300 碳纤维生产线中普遍 适用湿喷湿纺,而 T700 碳纤维需要的牵伸力度更大,适用干喷湿纺。 加工处理原丝是碳纤维生产至关重要的环节,在整个制备过程中,高温处理设 备最为关键核心,设备的稳定性直接关系到生产链的运转能力和产品性能。

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