第35卷 第1期2010年2月
高科技纤维与应用
Hi-Tech Fiber & Application
Vol.35 No.1Feb. 2010
国内外碳纤维应用领域、市场需求
以及碳纤维产能的进展（2）
钱伯章
（上海擎督信息科技公司 金秋能源石化工作室，上海 200127）
摘 要:汇述了碳纤维应用领域、世界碳纤维市场、世界碳纤维制造商产能及扩产计划、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产商与制造工艺以及中国碳纤维发展现状与趋势，尤其近年来在大飞机重大专项的牵引下，我国各地争上千吨级碳纤维项目，而形成“碳纤维热”。同时，为缩小与国外先进水平的较大差距，提出“突破PAN原丝关键技术瓶颈，避免重复引进和重复研究，加快提升自主创新能力”3 项发展建议。关键词:碳纤维；应用领域；市场需求；产能；进展
中图分类号: TQ342.742; TQ327.3 文献标识码: A 文章编号: 1007-9815（2009）05-0043-04
Carbon Fiber Application Field in Home and Abroad, Market Place demand along with Carbon Fiber Produce Capacity Progress (2)
QIAN Bo-zhang
( Shanghai Kingdom Information Technology Co.,Ltd, Golden-Autumn Scientific Propagation Office, Shanghai 200127 China )
Abstract: The carbon fiber application fields, world’s market, capacities of foreign producers and their extend-ing plan, production technologies and the development situation & trend of carbon fiber in China are illustrated, especially in the drawing of China’s big airplane important project, several 1 000 t/a carbon fiber programs were constructed all over the country, forming “overheat” in carbon fiber in recent years. In the same time, three sug-gestions are put forward in order to shorten the distances with foreign companies, they are “making a breakthrough at the bottleneck of PAN precursor key technologies, avoiding the repeated imports of foreign equipment and re-searches, accelerating and raising the ability of innovation ”.
Key words: carbon fiber; application territory; market demand; production capacity; advance
2 碳纤维市场
碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等性能，是一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料，是新一代的增强纤维。它的密度不到钢的1/4，但抗拉强度却是钢的7～9倍，抗拉弹性也高于钢；与传统的玻璃纤维（GF）相比，杨氏模
量（指表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量）是其3倍多；与凯芙拉纤维（K-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。正是由于兼具优异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。
2008年，世界碳纤维消费量按地区分布为：欧洲占30%，北美占35%、日本占15%、世界其他
收稿日期: 2009-09-26
作者简介: 钱伯章（1939-），男，江苏南通人，教授级高工，主要从事石油化工技术和经济信息调研和传播工作，(电话)021-58700767（电子信箱）bz _qian@163.com。
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地区占20%。美国、欧洲和日本是主要的消费地区，但一些国家和地区如中国、中国台湾、印度也在推动其需求的增长。
据美国市场调研公司Lucintel统计，2008年碳纤维的产值为15 亿美元，其中体育用品和休闲设备约占整个碳纤维市场的18%～20%，其余则主要用于航空航天、商业以及工业等领域。
Lucintel公司表示，全球碳纤维市值在2004～2008年的5年中一直以两位数的速度增长，预计至2014年，产值有望达到24 亿美元。不过，体育用品和休闲设备在2007到2014年间的年均增长率将保持在3%左右。
据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13%的速度飞速增长，2010年，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的全球需求量将达5 万t，到2012年将达6 万t，预计到2024年需求量将达到10 万t。
虽然2008年第3季度后世界经济发展面临重重危机，但碳纤维的需求仍在升温。有关专家预计，未来几年全球碳纤维需求仍将以年均两位数的增幅保持快速增长，市场供应短缺至少将延续到2010年。短期看来，碳纤维会供不应求，但到2012年，供应可能会超过需求。世界碳纤维在几个主要应用领域的预计年需求量见表1。
由于碳纤维生产工艺较为复杂，至今全球规模企业不超过12家。其中领先的生产商有美国氰特工业公司（Cytec）、赫氏（Hexcel）公司以及日本的三菱丽阳、东邦、东丽等公司。
7大碳纤维制造商（东丽、东邦、三菱丽阳、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek）已宣布计划在未来3～5年内扩产78%，总投资额为87 970 万欧元（13 亿美元），见表2。短期看来，碳纤维会供不应求，但到2012年，供应可能会超过需
表1 世界碳纤维的预计年需求量
104
t/a
年份航空航天一般工业体育休闲用品
合计20090.9122.4260.7494.08620101.0702.7270.7974.59420111.1203.1240.8135.0572012
1.223
3.425
0.868
5.516
求。
沥青基碳纤维在产业领域的需求也在增长，特别是在环境相关产业的开展引人注目，其市场规模约3 000 t，预计到2012年将扩大到4 000 t。沥青基碳纤维根据沥青的结晶状态，可分类为等方性和中间相2种，等方性的耐热性、耐药品性和滑动性优异，中间相具有高强度、高模量等力学特性。除了大型的半导体晶片和太阳能发电系统硅基板制造炉用的需求急速增长以外，在PAN基碳纤维和CFRP的烧成炉，也作为必不可少的绝热材料使用。
3 碳纤维制造商产能及扩产计划
为了满足对碳纤维的大量需求，碳纤维生产厂家相继增设生产能力。以PAN基碳纤维为例，除世界最大的日本东丽公司将在日、美和法3个基地增加生产线外，东邦公司也在日本和德国建设新的生产线。碳纤维企业正以能源问题和环境问题为契机，努力扩大市场需求。
2008年年初，东丽公司在日本本土提高了生产能力，并在2008年年底之前增强了在欧美的子公司的产能。另外，东丽于2009年7月，设置加工性优异的特殊织物级的专用设备（1 000 t/a），这次扩大产能的投资额约710 亿日元，其目的是为了应对今后航空机和产业用的需求增加，使集团的生产能力在2010年年末前扩大到2.5 万t/a，将其市场占有率由现在的34%提高到38%。
东丽工业公司目前正在扩大其位于日本、美国和法国工厂的碳纤维生产能力，2009年总计将达18 900 t。该公司目前是波音公司碳纤维预浸材料的独家供应商，主要满足航空航天工业需求，但也正在开发其他应用，如汽车行业。
日本帝人集团的东邦特纳克斯公司投资107亿日元，于2008年4月在日本本土的产能增加约6成，在德国的子公司TTE也于2009年8月扩大产能，其目标是强化收益能力。东邦公司产品供应空中客车公司，2008年5月在日本三岛建成了一个2 700 t/a的生产线，另一条1 700 t/a的产能于2009年8月在德国投产，其总产能将达到13 500 t/a。东邦公司还计划开发在汽车工业的应用。
三菱丽阳公司拥有显著的原料优势，2007年
第1期钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展(2)- 45 -
表2 世界7大碳纤维制造商产能及扩充计划
公司名称产能情况
目前产能1.79 万t/a，2010年年末前产能扩大到2.5 万t/a现有产能8 150 t/a，2009年达到1.085 万t/a
现有产能1.05 万t/a，扩产后1.35 万t/a
扩产计划
投资710 亿日元，2008年年初在日本爱媛县提高了生产能力，并在2008年年底之前增强了在法国、美国子公司的产能，使之分别达到5 200 t/a和5 400 t/a。2009年7月，将设置加工性优异的特殊织物级的专用设备，以应对今后航空机和产业用的需求。
投资120 亿日元，在广岛大竹市Otake生产中心建设2 700 t/a新生产线，在2009年第4季度投产，使三菱丽阳公司在日本的碳纤维产能增加50%。
投资107 亿日元，于2008年4月在日本本土上的产能增加约6 成，在德国的子公司TTE也于2009年8月扩大产能，其目标是强化收益能力。2009年产能达到1.22 万t/a。
2008年年末投产第3 条碳纤维生产线，近期还将建立产能3 000～6 000 t/a的碳纤维工厂，以满足今后5年国内客户的需求，尤其是风能工业的需要。
将扩大碳纤维产能，拟投资1.8 亿美元，扩产后可增大产能70%，跨越2007、2008和2009三个年度，新建的碳纤维生产线和新的单体生产线，在一两年内完成。
首期将投资2～2.5 亿美元，在南卡罗来纳州格林威尔新建PAN基碳纤维原丝生产线及碳化装置，计划在2010年投入生产。
为实现在2011年碳纤维销售额达5 亿美元的目标，从墨西哥Cydsa收购了位于哈里斯科州瓜达拉哈拉的腈纶厂，还计划在瓜达拉哈拉工厂内建产能2 250 t/a碳纤维生产车间。
日本东丽公司
日本三菱丽阳公司
日本东邦公司
德国SGL公司扩能后产能4 500 t/a
美国Hexcel公司2009年底达到7 257 t/a
美国Cytec公司
现在产能PAN基碳纤维1 900 t/a
美国Zoltek公司扩产后产能2.7 万t/a
在日本丰桥工厂投产了一条产能2 200 t/a的生产线，另外公司还在大竹厂新建一条2 700 t/a的生产线。这些新设施的投产使该公司的总产能将超过1 万t/a。大竹厂将在2009年年底投产。
另外吴羽和日本石墨纤维这两家以煤炭沥青和石油沥青为原料的沥青基碳纤维生产企业，也在2009年扩大产能。碳纤维企业正以能源问题和环境问题为契机，努力扩大市场需求。
步，经过1970～1980年代的稳定，1990年代的飞速发展，到21世纪仍是扩大生产的快速发展期。目前，世界碳纤维年产量约4.8 万t/a，PAN基碳纤维约占各种碳纤维材料的80%以上，其中日本东丽、东邦和三菱人造丝3家公司占据了70%以上，其余主要的生产商还有中国台湾的台塑公司、美国的Hexcel、Cytec、Zoltek公司，德国的SGL公司以及韩国的泰光产业公司等。
德国领先的碳基产品生产商SGL集团与奥地利纤维生产商Lenzing公司于2007年组建合资企业，生产PAN基亚硝酸酯前身物，该前身物可用于生产复合材料碳纤维。这一合资企业按简单的业务模式运作，Lenzing公司为丙烯酸纤维原材料提供技术诀窍，而SGL集团拥有碳纤维生产经验。双方密切合作改进工艺过程和产品特性。碳纤维市场呈二位数速率增长，合资公司将保持和提高其竞争地位。4.2 PAN基碳纤维制造工艺
PAN基碳纤维的制造分为两步进行，第一步是用PAN单体制造PAN原丝，类似于纺织用的PAN纤维的生产。第二步是原丝的预氧化和碳化，预氧化处理的目的是使PAN的线性分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温碳化时不熔
4 聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产商与制造工艺
由于碳纤维神秘的面纱尚未揭开，人们现在还不能直接用碳或石墨来制取，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶、人造丝等）为原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起碳化制得碳纤维。根据原料及生产方式不同，碳纤维主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等。
目前，世界碳纤维生产主要集中在日本、英国、美国、法国等少数发达国家。而我国目前主要依赖进口。
4.1 PAN基碳纤维生产商
世界PAN基碳纤维的生产，在1960年代起
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不燃，保持纤维形态。碳化过程是碳纤维形成的主要阶段，除去了纤维中大量的氧、氮和其他元素。再经表面处理、干燥上浆得到具有金属光泽的PAN基碳纤维产品。PAN原丝的制备在整个碳纤维生产中至关重要，按纺丝方法可分为湿法、干法、干湿法和熔融法等，NaSCN、ZnCl2、HNO3、DMF（二甲基甲酸胺）、DMSO（二甲基亚砜）等，以DMSO为溶剂的制造工艺具有技术成熟、产品质量稳定、原料及能耗消耗低、三废排放量少、经济效益好等明显优势，是目前世界上PAN原丝生产主要采用的加工路线。
碳纤维生产工艺流程长，技术关键点多，生产壁垒高，是多学科、多技术的集成，其中PAN原丝的生产技术更是难中之难，主要表现在PAN原丝的喷丝工艺、丙烯腈聚合工艺、丙烯腈与溶剂及引发剂的配比等。目前，世界碳纤维技术主要掌握在日本的东丽公司、三菱人造丝公司和东邦公司，这3家公司技术严格保密，生产的基本情况见表3。而美国赫克塞尔（Hexcel）、阿莫科（Amoco）和卓尔泰克（Zoltek）等公司及其他碳纤维企业均处于成长阶段，生产工艺还正在不断完善。
中国石化上海石油化工股份有限公司2008年4月23日公布了一种以水相悬浮聚得PAN，再两步法制造PAN原丝的方法（申请号/专利号为200610117242），因有效去除了源自引发体系的碱金属杂质，故产品为高纯化型。4.3 产品技术改进
近年来，国外对碳纤维技术开发研究集中在提高性能、降低成本方面。日本东丽公司根据先进复合材料市场发展的需求，已决定逐步淘汰T300类碳纤维，重点发展抗拉伸强度为4 000～
5 000 MPa、价格与T300基本相当的碳纤维品种，同时由于大丝束碳纤维性价比较高，也开始发展大丝束碳纤维，如最新开发的T600S、T700S、T700G等。
在新工艺和新技术方面，美国为降低碳纤维价格，推出了低成本碳纤维研制计划。Oak Ridge国家实验室（ORNL）开发出一种新的高速氧化方法，即交联PAN基碳纤维加工过程，使固有的独特直链能够经受高温加工过程；同时还开发了一种微波等离子体装置，组合典型独立和有序的碳化以及石墨化过程，简化生产工艺，上述工艺可节省成本2.2 美元/kg。三菱人造丝公司发明的新型碳化炉，可抑制碳化反应生成的分解物附着和堆积于炉壁和纤维上，从而稳定高效地生产高强高模的碳纤维。东丽公司则研制一种三叶形断面的PAN原丝及碳纤维，可改进与树脂的粘合性、抗压缩强度和抗弯强度。此外，国外某些研究部门正试验采用PAN外的其他原料作高性能碳纤维用原丝，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等聚烯烃类高分子材料及木质素等，或是通过改进现PAN原丝的工艺技术，例如采用化学改性、辐照稳定化处理等方法，来达到降低原丝生产成本的目的。
碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品急待处理。据日本三菱人造丝公司估计，目前全球废弃的CFRP大约为1 万t，2010年可达2 万t。随着CF生产能力的扩大及增强材料的大量使用，环境友好要求企业重视CF（碳纤维）的回收利用。发达国家已开始了这项工作：德国Thuringian（TITK）研究所开发的新工艺，不采用撕切处理就能从废弃CF纺织品中获取长度≥20 mm，一般
表3 日本3 家公司的PAN基碳纤维生产情况
公司名称
制造工艺
单体原料
溶剂种类
申请专利数
日本东丽公司 干湿法纺丝 丙烯腈-丙烯酸甲酯及丙烯腈-衣康酸 DMSO320
日本三菱丽阳公司 湿法和干湿法纺丝
湿法：丙烯腈、丙烯酰胺和甲基丙烯酸
干湿法：丙烯腈-甲基丙烯酸及丙烯腈、 DMF 丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸 丙烯腈和丙烯酸甲酯
ZnCl2
250
日本东邦公司 湿法纺丝
60
（下转第52页）
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氧化炉是实现该目标的最核心装置。从热风循环路线来看，预氧化炉分侧吹式和顶吹式两种，如美国LitZler公司的预氧化炉为侧吹式。从加热点与预氧化炉的相对位置可分为外热循环式和内热式两种，当前较为先进的预氧化炉均为外热式。外热式可利用废气进行热交换，利于节能，如日本东丽公司的千吨级预氧化装置即为该形式；内热式氧化炉完全靠循环的热空气维持，炉膛内温度难控制、热风均匀性差，多应用于实验室、小型装置或试验线。
由于外热式预氧化炉靠加热元件直接加热为主，热空气循环加热为辅，以及炉外热空气循环鼓入炉膛，不仅炉内温度均匀性提高，同时循环空气还有利于将PAN纤维反应热迅速带走，提高预氧化纤维的均匀性。外热式氧化炉的特点概括有：① 结构简单、投资较少；② 热风经气流分布板进入并一次性流过炉膛后，由两端的内抽风系统进入热交换器，与进入热风炉的新鲜空气进行换热，可使空气预热至80～100 ℃，节能约 20%；③ 热空气参与炉膛内预氧化反应，一次性利用后经换热放空，减少了热空气所含反应副产物对纤维的污染；④ 维修方便，可连续生产。这
种炉型的不足之处则有：① 炉温分布不均匀、出现“摸头峰”，加大了批内和批间CV值；② 热能利用率较内热式低。东丽公司称：预热空气沿纤维方向平行吹入，经引风机吸出后经补充热量重新送入，PAN丝束（12 k）以3 m/min穿过氧化炉、停留30 min，再经1 400 ℃碳化，得到CF强度为4.5 GPa。
表4对比了热风开启面积对氧化的影响，Ss/
Sf是氧化炉截面积与热风口面积的比值，越大热
风口开启越小。V1/V2是风口风速与炉内风速最慢
处的比值，开启度越小炉内风速越不均匀，导致每米融并点和每百小时缠辊次数大大增加。
表4 外热循环氧化炉对比试验
项目实施列1实施列2比较列1比较列2
面积比(Ss:Sf)1.52.03.04.0
毛团数/(个 · m-1)
1.82.51215.3
绕辊数/(次 · 100 h-1)
0169
风速比(V1:V2)1.021.051.502.10
（未完待续）
（上接第46页）
长度为30～70 mm的碳纤维；西班牙INASMET运输安全机构经过两年的研究试验，采用化解处理技术开发了CF-环氧树脂复合材料回收再利用的新途径，其回收产品可用于一般的CFRP。
日本东丽公司、帝人公司（日本东京）和三菱丽阳公司计划联手大规模生产循环碳纤维，以促进高强轻质材料的回收利用。这3家企业共同掌握着全球碳纤维70%的市场份额，于2009年建立一个合资企业，从飞机和其他设备中回收和循环利用使用过的碳纤维。他们还计划邀请其他碳纤维制造商，如三菱塑料公司和吴羽公司来参与合作。该合资公司的风险是将回收工作外包给三井矿业公司福冈辖区的工厂。循环碳纤维的年产量将从开始的几百吨增加到目前世界最大产量1 000 t。
东丽和其他公司各自从合资公司购买碳纤维，然后将其与塑料混合，并将其制造成每千克约2 000 日元的材料，这个价格比同强度的不可回
收材料低30%多。其最初寻求的销售渠道是将这种材料出售给笔记本电脑制造商。汽车制造者将碳纤维视为能够帮助他们制造轻质汽车的材料，所以在东丽及一些其他公司的带动下，将进一步鼓励汽车公司采用循环碳纤维，提高他们使用的材料及零件的可回收成分。
（未完待续）
因工作不慎，本刊2009年第6期勘 误（总第34卷，第334期）专题综述栏发表的《间位芳香族聚酰胺有色纤维研究进展》一文第一作者姓名应为张媛婧，特此勘误。 编辑部 2010年2月
国内外碳纤维应用领域 - 市场需求以及碳纤维产能的进展 - 2 -
