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碳纤维行业研究报告:碳纤维成本解析(16页)

行业报告下载 2019-07-26 35 管理员

原丝制备是碳纤维制备的核心环节,原丝的质量和成本很大程度上决定了碳纤维 的质量和生产成本。据《高科技纤维与应用》,碳纤维的强度显著地依赖于原丝的 微观形态结构及其致密性,如果原丝的分子结构和聚集态结构存在不同程度的缺 陷,必将严重影响碳纤维的质量和性能。以 PAN 原丝为例,其制备流程较长,主 要包括聚合、纺丝、蒸汽牵伸、上油、卷绕等工序,其中,聚合和纺丝是原丝制 备的重要工序。

按照聚合和纺丝工艺的连续性可以将 PAN 原丝的制备方法分为一步法和二步法。 其中,一步法采用均相溶液聚合工艺,流程较短,工序较少,操作性强,可控性 好,有利于获得高质量的 PAN 原丝,主要用来制备高性能的 PAN 基碳纤维,目前 国内外主流碳纤维厂商多采用一步法工艺。二步法工艺相对复杂,但其采用水相 聚合能获得溶液聚合所不能得到的高分子量以及分子量分布均匀的聚合物,由于具有较高的分子量以及适合的分子量分布是生产优质 PAN 原丝的基本要求,因此 二步法在质量上较一步法具有相对优势,但在成本上存在劣势。

PAN 基聚合物溶剂包括二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺 (DMAc)、硫氰酸钠(NaSCN)水溶液、氯化锌(ZnCl2)水溶液等,其中,以 DMSO 为溶剂纺丝得到的 PAN 基原丝产量最大,碳纤维的力学性能最稳定。因此,在使 用单一溶剂纺丝的情况下,DMSO 溶剂纺丝效率更高,更有利于降低原丝制备成本。

按照纺丝方法可将 PAN 基原丝的制备工艺主要分为湿法纺丝和干湿法纺丝两种。 干湿法纺丝即干喷湿纺,纺丝液经喷丝孔喷出后不立即进入凝固浴,而是先经过 空气层,再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条。干湿法可纺出的纤维体 密度较高,表面平滑没有沟槽的高性能碳纤维丝束,且可实现高速纺丝,逐渐成 为 PAN 基碳纤维纺丝方法的主流研究方向。东丽生产的 T700、T800、T1000 碳纤 维均是通过干湿法纺丝工艺制备的。

干湿法纺丝的纺丝速度是湿法纺丝的 5-10 倍,是制备高性能原丝的有效方法。由 于碳纤维制备能耗高,因此采用干湿法纺丝有利于提高生产效率,降低单位能耗, 降低单位成本。据光威复材招股说明书,公司募投项目“军民融合高强度碳纤维 高效制备技术产业化项目”采用干湿法纺丝工艺生产高强度碳纤维(12K 的 T700S、 T800S 碳纤维,公司目前主要采用湿法纺丝)能够大幅降低公司碳纤维单位生产 成本。据《PAN 基碳纤维生产成本分析及控制措施》,在同样的纺丝装备及能源消 耗条件下,干湿法纺丝的综合产量是湿法纺丝的 2-8 倍,PAN 基碳纤维丝束的生 产成本可降低 75%。预氧化在碳纤维制备过程中起承上启下的作用,是决定碳纤维生产效率和能耗成 本的关键,其成本约占碳纤维制备总成本的 16%。PAN 基原丝预氧化目的是为了防 止原丝在碳化时熔融,通过氧化反应使线性 PAN 大分子转变成耐热梯形结构,从 而使纤维在高温碳化过程中不熔不燃。预氧化过程耗时较长,温度较高(200℃ -300℃),工艺设备复杂,导致预氧化过程的能耗成本较高。若能在保证质量的前 提下缩短预氧化时间,则整条碳纤维产线的产量将得到提高,单位成本将大幅下降。

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标签: 新材料|有色金属|矿产|贵金属

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