中國碳纖維技術攻關到底應該如何把握方向?碳纖維開發是個大工程,應以需求為牽引,按照科研——產業化示范——產業化的規律規范碳纖維的研究和發展,按照技術、產業發展規律科學布局,對單元核心工藝、關鍵設備和配套材料等瓶頸技術開展專題攻關,各個擊破。同時注重碳纖維人才隊伍建設,建立高素質的專家系統和高效的咨詢機制,深入研究碳纖維發展的技術脈絡,把握正確的技術方向,有效牽引、推動技術研究和產業工作。
碳纖維制備過程分為純化聚合、紡絲、氧化炭化、石墨化和表面處理等多道工藝,涉及到有機化學、紡織學、化工機械、高分子化學和流體力學等多個學科,是一項工藝復雜、多學科交叉的高新技術產業。無論是工藝技術還是設備開發以及配套材料,只要有一項跟不上研制和產業化進程,就會最終影響到碳纖維產業。目前相對落后的關鍵單元技術有大容量聚合、快速紡絲、均質氧化、快速氧化炭化等,其工程問題沒有徹底解決,導致產品性能不穩,生產成本高。以大容量間歇聚合工藝為例,目前我國容積最大的聚合釜約6~10立方米,部分生產單位為安全起見,采用多個2~3立方米小反應釜并聯,而國際上先進的聚合釜容量現在已達到20~45立方米。聚合釜容積小,單釜聚合量就少,生產成本就高,而生產批次太多也會影響碳纖維整體性能的穩定性。在生產設備方面,國內一些關鍵設備產業化設計制造技術尚未取得突破,譬如氧化爐、多工位蒸汽牽伸機、寬口高溫炭化爐和高溫石墨化爐等。一旦這些設備在國際上禁運,對我國碳纖維產業的損害將無法估計,因此必須盡快掌握這些關鍵設備的制造技術。此外,碳纖維用油劑和上漿劑等關鍵原料在我國還處于實驗室開發階段,尚需依賴進口;與碳纖維產業化過程配套的廢水、廢氣處理技術也不夠完善。從發展前景看,規模化生產是降低成本、參與市場競爭的重要前提。
從國外碳纖維產業發展歷程看,比較成功的碳纖維企業都是從PAN原絲開始,到碳纖維生產,甚至到復合材料制品,形成一條龍產業。單一生產原絲,或依靠從市場購買原絲生產碳纖維的企業發展比較困難,大都已關停,這應引起我國相關企業注意。技術水平太低的企業必然要遭到淘汰,技術水平相對較高的企業可以加大碳纖維在普通民用領域的應用開發。未來碳纖維市場的增長點在風電葉片、建筑材料、汽車、大飛機、壓力容器和高壓輸電線等新興工業領域,消費量將會大幅增長。
對于碳纖維用量能否實現飛躍?自上世紀60年代末碳纖維投入市場應用以來,至今已走過50多年,但去年全球的碳纖維用量也僅有5萬噸左右。從所得到的資料分析:全球2010年玻纖用量達450多萬噸,碳纖維為5萬多噸,市場用量為90:1;從價格比看碳纖維為玻纖的10倍以上,與高強高彈碳纖維相比,要達數十倍以上。所以,這就決定了它不可能在短時間內有玻纖那么大的市場。根據國內外碳纖維企業和專家預測,從2011年起,每年約有13%的增長,到2018年才達到10萬噸,因此,全球占主導地位的復合材料仍然為玻璃鋼復合材料。從另一方面看,當前和今后,全球碳纖維復材的應用市場主要集中在與鋼結構密切相關的高耗能、高排放領域中的大飛機工程、汽車工程、海船工程、電力工程等,以此達到以碳代鋼、節約燃料、減少二氧化碳排放。眾所周知,因化石能源的生產及應用,每年給全球造成溫室氣體損害無可估量,就美國報告的數字超過70億美元。因此,各國政府近幾年陸續出臺一系列政策與法規來解決這一問題。就歐美先進國家來講,他們把傳統能源節能減排和新能源產業看作一種戰略經濟,利用碳減排推出低碳經濟方案,用法律來約束。當前,國內出現“碳纖維熱”,有碳纖維深加工OEM“加工熱”、大量碳纖由海外提供的“進口熱”、國內碳纖維開發“圈地投資熱”等,我們期望這“三種熱”能帶來冷靜思考,使我們最終看到國產碳纖維由集成創新走向自主創新。