『专题』欧洲碳纤维生产技术发展近况

本专题介绍了欧洲碳纤维的企业动向和欧盟对碳纤维的政策以及相应的产业和研究项目。在企业动向中列举了几家典型的欧洲碳纤维生产企业、罗列了其他地区跨国企业在欧洲的生产基地，并举出了欧洲传统企业和新兴企业在碳纤维产业的新布局典例；在政策和项目方面，介绍了欧盟近年来对碳纤维以及其相关产业的政策引导和项目支持，并列举了相关项目内容信息。

碳纤维是含碳量高于95%的无机高分子纤维，具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐磨擦等优异的基本物理及化学性能，并有高振动衰减性、良好的导电导热性能、电磁屏蔽性能以及较低的热膨胀系数等。这些优异的性能使得碳纤维被广泛应用于航空航天、轨道交通、车辆制造、武器装备、工程机械、基础设施建设、海洋工程、石油工程、风力能源、体育用品等领域。

世界碳纤维的生产主要集中在日本、美国、韩国、欧洲等少数发达国家以及我国的台湾省。碳纤维工业化生产路线按照原料来分主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。其中以PAN基碳纤维为主流，占全球碳纤维总产量的90%以上。在生产技术路线上，可以分为小丝束（<24K）碳纤维和大丝束（48K-50K）碳纤维。

       上个世纪80年代，欧洲涌现了一批商业化碳纤维生产厂家，在技术上也有着相应的进步性。然而随着碳纤维市场的发展和竞争，早期欧洲碳纤维生产厂家到现在十不存一。目前全球碳纤维供应集中于亚洲地区，产能占全球的40%以上，欧洲地区的产能占比则在25%-30%之间，同北美地区互有上下。2015年全球排名前5的碳纤维供应商中有三家来自日本（东丽、帝人、三菱），一家来自德国（SGL），还有一家来自台湾（台塑），其中德国SGL占比约7% [1]。实际上，欧洲地区的碳纤维产能中有一部分由各大跨国集团在欧洲的子公司或生产基地提供的。

欧洲企业动向

德国西格里集团（SGL Group - The Carbon Company）总部位于德国Wiesbaden，是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一，拥有从碳石墨产品到碳纤维及复合材料在内的完整业务链，是目前全球前5的碳纤维供应商，2014年产能占比10% （RED 2015），2015年为7% （华泰证卷研究所）。

图2 SGL连续碳纤维典型产品图例

SGL在德国、日本（大竹）、葡萄牙（Lavardio）、英国（Muir of Ord）和美国(Moses Lake，WA以及Evanston，WY)各有生产基地，生产碳纤维以及前驱体。同时，SGL也着力于对碳纤维下游产品的应用、研发和推广，尤其与汽车市场的合作保障了其碳纤维的市场占有量。在下游产品研发方面，由SGL在德国慕尼黑工业大学投资成立了碳复合材料研究中心，从加工、成型、模拟和检测方面对碳纤维复合材料进行有应用针对的体系化研究。在与下游市场的合作方面，SGL同欧洲汽车行业保持着良好的合作关系，并于2014年联合宝马共同扩大了其在美国的碳纤维产能（Moses Lake，WA），增产后其碳纤维总产能可达到每年9千万吨。

SGL的碳纤维产品主要包括PANOX®氧化纤维、SIGRAFIL®连续碳纤维、SIGRAFIL®短切碳纤维以及RECAFIL®再生碳纤维。其连续碳纤维产品为丙烯腈基（PAN）24K+碳纤维产品，其生产流程简介如图1，典型性能如表1。    

表1 SGL连续碳纤维典型产品性能列表

图1 SGL连续碳纤维典型产品生产流程

土耳其Aksa公司成立于1968年，是世界上最大的丙烯腈纤维生产商，2012年Aksa与美国陶氏成立了合资公司DowAksa，形成一个由土耳其基地和美国基地组成的大规模、提供全方位服务的碳纤维供应商。其产品应用于运输、基础设施和能源领域以提高产品的性能、降低整体成本。

2016年5月17日，土耳其国防工业局和土耳其航宇工业公司共同开启DowAksa全球复合材料中心。高科技设施旨在推动土耳其的碳纤维和其他增强复合材料，主要用于国防和商业航空航天领域，除此之外还针对基础设施，船舶，风能发电和运输部门等。

DowAksa致力于为工业领域提供高品质的碳纤维和衍生物。所有常见的工业转化过程中都可使用其产品AKSACATM碳纤维，包括：纤维和织物预浸料、织造、纤维缠绕、挤压成型、配料。其典型产品性能列表如下：

表2 AKSACATM连续碳纤维产品性能列表

2011年，Alabuga-fiber公司开发了一个生产碳纤维的项目，在满负荷生产时年产量将达到1500吨。该公司将会生产碳纤维复合材料，与传统结构材料相比碳纤维具有唯一特性，其强度和抗疲劳性比钢高几倍，重量却低很多。 

Alabuga-fiber公司计划建立两条生产线，第一条价值25亿卢布，项目总花费42亿卢布[2]。

2015年，Alabuga-fiber公司生产线将生产1700公吨，最终将增加到2000公吨左右。该新厂址位于俄罗斯鞑靼斯坦共和国境内，俄罗斯将具有10000公吨或更多的产量，使其成为世界上最大的碳化设备。该生产线适合于大型碳纤维应用，如汽车和风能[3]。 

      表3罗列了世界主要碳纤维生产商在欧洲地区的子公司或生产基地，这种布局与欧洲地区的碳纤维需求是相适应的。

表3 其他区域碳纤维企业欧洲基地

索尔维集团（Solvay S.A.，原译“苏威集团”）是一家总部位于比利时首都布鲁塞尔的跨国性化工集团，1863年由比利时化学家欧内斯特·索尔维创立。索尔维集团目前在布鲁塞尔和巴黎的纽约泛欧证交所挂牌上市，在全球53个国家拥有约30,900名员工。索尔维集团的产品被广泛应用于各行业领域，旗下90%的销售产品位居全球前三甲。集团2015年全球销售额达124亿欧元。

图3 索尔维集团标志

这家比利时化工巨头在2015年收购了美国碳纤维公司CYTEC，以美国为基地着力进军碳纤维市场。2016年8月24日，索尔维公司在美国南卡罗来纳州建立的碳纤维新生产线正式来时运营，该生产线将使得公司碳纤维产能倍增，主要供应航空航天领域的轻量化复合材料应用。这次的生产线扩充包括从丙烯腈类单体转换聚合成标准模量碳纤维的全套设备设施。这种类型的纤维主要用于制造商用或军用飞机零部件的复合材料预浸料。新的生产线已经获得了波音公司的二级结构件生产资格，比如发动机舱、翼动瓣和内饰件等。索尔维公司的首席执行官Jean-Pierre Clamadieu表示：“通过这一战略资本扩张，我们将为我们的客户提供更大的产能以满足客户对增强复合材料日益增长的需求，帮助客户达到轻量化、降能耗的目的并通过提供集成件减少安装成本。对索尔维来说，这次扩产带来了更大的灵活性，促使了我们在新兴复合材料领域的成长，并保持了我们在该领域的领先地位。” 

英国ELG Carbon Fibre是一家提供回收碳纤维材料生产的新兴技术企业，于2011年成立，并迅速成为行业先驱，其总部位于英国West Midlands。该公司在今年上半年参加的诸个学术会议中多次展示其回收碳纤维材料的产品技术，并于2016年7月宣布加盟美国先进复合材料制造创新研究所（IACMI），为期5年，ELG许诺在该周期内会在美国开设工厂。2016年9月7日在美国举办的汽车复合材料展会上，ELG的常务董事宣布公司计划将在三年内于德国、美国各开设一家新的工厂。EGL目前在英格兰西部有一家工厂，正在筹建德国工厂，预计2018年可以投入运营，并同时计划在美国建厂，预计2019年建成。

图4 EGL回收碳纤维工序流程

据称，EGL所生产的回收碳纤维产品性能可以与全新的碳纤维材料媲美，而成本则会降低，对环境的碳排放影响也降低了。Barnes称，仅在2015年，公司就从工业废料和废弃物中回收了一千余吨的碳纤维。

欧盟政策及项目

       欧洲学术界对于碳纤维的研究更多的集中于其下游技术，不过欧盟发起的一些项目却涉及了本调查聚焦的碳纤维生产过程中的重要一环：前驱体的生产。具体涉及的大项是：NMP.2013.2.1-1 –开发碳纤维的新型前驱体，新型工艺路线及其功能化。

该大项目下属三个小项目：新型的具有成本效率和可持续性的用于大规模市场应用的聚己烯基碳纤维、通过新型前驱体开发具有成本效率和特定性质的功能化创新碳纤维、用于碳纤维的可再生能源纳米结构前驱体[4-8]。 

Ÿ 起止日期：2013.11.1-2017.10.31

Ÿ 总投资：10045587欧元

Ÿ 欧盟贡献：7393755欧元

Ÿ 协调国：意大利

Ÿ 提案号：FP7-NMP-2013-LARGE-7

Ÿ 资助计划：CP-IP - LARGE-SCALE INTEGRATING PROJECT

Ÿ 项目目标：

该项目旨在通过非常有前途的低成本可持续聚乙烯（PE）前驱体生产碳纤维（CFS）。PE可以从三个不同的来源获得：生物乙醇，合成油与回收塑料。该项目使用中试设施（HPFC）设计和优化连续碳纤维生产过程，在后期可以比较容易的进行工业化放大生产。

为了稳定PE，该项目提出使用独创的干氧化方法，并依靠电子束固化（EBC）进行辅助，在前驱体阶段引入杂原子以实现目的。这种新方法在技术上，经济和生态上都有优势，可保证新型碳纤维开发的创新性和灵活型（FLEXIBLE）。该项目计划通过使用诸如纤维素纳米晶，碳纳米管以及精细石墨粉末等成核剂来降低石墨化温度。参与单位将会尝试使用常压等离子技术和室温接枝以及特定的表面攻击化学品（SURFACE-ATTACKING CHEMICALS）以探索表面改性的可能性。该项目将会在中试设施中安装在线无损激光拉曼探针以实现在加工生产过程中为多重限位机构的开发提供实时数据。为保证总体环境和经济可持续，LCA和LCC会贯彻于该项目的各阶段。

该项目集中了欧洲最优秀的专家资源以开发PE基碳纤维使之成为成熟技术，其中包括了碳纤维开发专家和专注于目标市场的工业终端用户。半数以上参与者是欧洲的中小企业。

协调单位：意大利FRENI BREMBO SPA

图5 NEWSPEC项目

参与单位：

德国DEUTSCHE INSTITUTE FUR TEXTIL-UND FASERFORSCHUNG DENKENDORF

德国TECNARO GESELLSCHAFT ZUR INDUSTRIELLEN ANWENDUNG NACHWACHSENDER ROHSTOFFE MBH

英国 UNIVERSITY OF EXETER

比利时VLAAMSE INSTELLING VOOR TECHNOLOGISCH ONDERZOEK N.V.

希腊FOUNDATION FOR RESEARCH AND TECHNOLOGY HELLAS

意大利WARRANT GROUP SRL

意大利PETROCERAMICS SPA

意大利AUTOMOBILI LAMBORGHINI SPA

希腊INASCO HELLAS ETAIRIA EFARMOSMENON AERODIASTIMIKON EPISTIMON D.BOFILIOS- A.BOFILIOS EE

法国VALEOL SAS

乌克兰YUZHNOYE DESIGN OFFICE NAMED AFTER MIKHAIL YANGEL

德国DIENES APPARATEBAU GMBH

Ÿ 起止日期：2014.1.1-2017.12.31

Ÿ 总投资：8117796欧元

Ÿ 欧盟贡献：6083911欧元

Ÿ 协调国：希腊

Ÿ 提案号：FP7-NMP-2013-LARGE-7

Ÿ 资助计划：CP-IP - LARGE-SCALE INTEGRATING PROJECT

Ÿ项目目标：

该项目将会利用连续丙烯腈基碳纤维中试生产单元，通过创新处理过程以获得更高生产效率并改进控制性。同时该项目会测试基于新开发的碳纤维的层压薄片以及半固化片产品，并生产层压制品和高性能纤维缠绕管。该项目集中于降低碳纤维成本，提升化学和机械性质。该项目将开新前驱体（碳化硅，织物级丙烯腈，聚烯烃和木质素），以此同时，将会评估一种从蒽油中获得的新型环境友好型沥青制备各向同性碳纤维的适用性。该项目的碳纤维转换技术将会使用热解处理以便将聚丙烯腈前体转变为聚丙烯腈基碳纤维活性炭纤维。创新的表面处理将会提升对纤维表面的处理水平，这对于该系列产品是不可或缺的。在碳纤维的回收再利用方面，新技术将会用报废聚碳纤维制备商品级产品。该项目中会使用模拟技术进行碳纤维复合材料性质评估和成本评估，同时会进行生命周期评价以帮助商业风险评价以及材料环境影响评价。工业界合作伙伴将会保证研究成果能够产业化以满足两相高需求应用：快速部署安全应急避难所(RDSES)和超级电容器。

Ÿ 协调单位：希腊NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF ATHENS - NTUA

  图6 FIBRALSPEC项目

Ÿ参与单位：

意大利POLITECNICO DI TORINO

英国THE UNIVERSITY OF BIRMINGHAM

捷克EUROMOBILITA SRO

法国THALES SA

英国GLOBAL SAFEGUARD LTD

英国OPEN SOURCE MANAGEMENT LIMITED

葡萄牙ANTHONY, PATRICK & MURTA-EXPORTACAO LDA

乌克兰FRANTSEVICH INSTITUTE FOR PROBLEMS OF MATERIALS SCIENCE OF NATIONAL ACADEMY OF SCIENCE OF UKRAINE

英国C.T.M. EQUIPMENT LIMITED

乌克兰YUZHNOYE DESIGN OFFICE NAMED AFTER MIKHAIL YANGEL

Ÿ 起止日期：2014.1.1-2017.12.31

Ÿ 总投资：8598574.2欧元

Ÿ 欧盟贡献：5968027欧元

Ÿ 协调国：法国

Ÿ 提案号：FP7-NMP-2013-LARGE-7

Ÿ 资助计划：CP-IP - LARGE-SCALE INTEGRATING PROJECT

Ÿ 项目目标：

越来越多的工业领域（例如汽车，风能发电，造艇业）需要轻量高性能复合材料，这对碳纤维产业来说是巨大的潜在市场。当前，市场上大约80%的碳纤维是使用聚丙烯腈（PAN）作为初始原材料，这是因为它相比于沥青基碳纤维具有更好的性能。但是，用聚丙烯腈制作碳纤维成本高，这限制了其在工业上的应用，使其只能用于经费充足并需要高端材料的部门（例如航空航天，军事器材和体育用品）。

该项目的战略目标是从广泛存在于欧洲的可再生材料（木质素、纤维素）中开发低成本前驱体，并通过碳纳米管进行加强以生产高性能碳纤维用于汽车和风电应用。

为了达到这一目标，该项目将会研究两项白色纤维处理过程以生产连续纤维：

-纤维素溶解于磷酸进行湿法纺丝法

-木质素挤压熔融纺丝

此外，该项目将会深入研究碳化处理以及多种功能化方法以显著增强碳化产率和碳纤维在最终目标应用中的附加值。

Ÿ协调单位：法国ARKEMA FRANCE SA

Ÿ 参与单位：

德国FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.

俄罗斯BALAKOVO CARBON PRODUCTION LLC

法国ASSOCIATION POUR LE DEVELOPPEMENT DE L'ENSEIGNEMENT ET DES RECHERCHES AUPRES DES UNIVERSITES, DES CENTRES DE RECHERCHE ET DES ENTREPRISES D'AQUITAINE

法国RENAULT S.A.S. REPRESENTED BY GIE REGIENOV

英国SIGMATEX (UK) LIMITED

法国PLASTINOV SNE SAS

德国UNIVERSITAET HAMBURG

意大利FIL.VA SRL

意大利MATERIALS DESIGN AND PROCESSING SRL

德国ALBERT-LUDWIGS-UNIVERSITAET FREIBURG

匈牙利AVANA INDUSTRIES KFT

西班牙FUNDACION PARA LA PROMOCION DE LA INNOVACION, INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO EN LA INDUSTRIA DE AUTOMOCION DE GALICIA

法国ALMA CONSULTING GROUP SAS

图7 CARBOPREC项目

根据欧洲地平线2020研究和创新计划，其NEWSPEC GA No. 604168, FIBRALSPEC GA No. 604248和CARBOPREC GA No. 604215支持的碳纤维与先进高性能复合材料联盟（Carbon Fibres & Advanced High Performance Composites Cluster，CFPC）下属有5个项目，其中包含了上述的3个项目，同时还包含了欧洲航天认证的碳纤维与预浸渍基材料、Reform循环生产复合物成分的资源效率工厂这两个项目[9, 10]：

       该项目将会实现以下目标：1.高性能和超高性能模量的碳纤维将会在欧洲由欧洲生产商生产出来；2.开发掺杂了碳纳米管的碳纤维和环氧树脂等航天认证的预浸渍材料，这类新材料将会解决一项航天领域碳纤维材料应用的关键问题：低温热和导电性。

图8 欧洲航天认证的碳纤维与预浸渍基材料项目

这是一项四年计划，由欧盟第七框架计划资助，目的是开发下一代生产技术，减少复合材料的环境影响。碳纤维复合材料是一类重要复合材料，该项目要解决碳纤维复合材料的回收问题。

碳纤维与先进高性能复合材料联盟的宗旨是将欧共体投资资助的项目汇聚到一起，使得想法，观点与结构可以共享，为欧洲战略研究路线图做贡献，利用协同效应提升项目成果的传播与利用效果，提高其影响。其下属的5个项目都是与碳纤维和碳纤维复合材料相关的可持续生产与循环回收的项目。

小结

欧洲碳纤维产业在上个世纪七、八十年代紧随日本和美国发展起来，但因为技术以及资本等原因，许多单一生产碳纤维没有其他产业作支撑的企业没有坚持到两千年后的碳纤维需求高增长期就消失了，德国SGL公司作为那个时代留存下来的碳纤维供应商，在目前的欧洲地区可谓一枝独秀，是欧洲唯一一家在世界碳纤维市场上占据主要份额的公司。

与其碳纤维产出方面相对较弱情况相对应的是，跟据多家行业报告，欧洲市场对碳纤维的需求预期常年走高，也是全球碳纤维的主要消费区域之一，世界各主要碳纤维供应商均在欧洲地区设有分支机构和生产基地。

随着碳纤维应用范围的不断扩大，欧洲也有传统化工企业，如比利时索尔维集团开始通过资本并购的方式加速进入碳纤维领域，也促进了新型碳纤维生产企业和碳纤维生产相关的衍生企业。但值得注意的是，随着碳纤维市场的逐渐成熟，该行业的壁垒越来越高，除了对碳纤维核心生产技术的突破外，新型企业可以更多地对碳纤维上下游衍生产业进行关注，比如碳纤维的回收再利用等。

此外，通过欧盟范围的整体项目政策可以看出，欧洲作为轻量化领域的领军地区，对碳纤维在轻量化领域的应用是有所倾向的，而对碳纤维生产的技术环节，则侧重于对低成本前驱体的研发及产业化。欧洲的碳纤维轻量化应用是与欧洲在车辆等传统领域的优势挂钩的，在碳纤维供需链的下一环节：碳纤维复合材料的成型与加工方面，欧洲，尤其是欧洲的汽车行业，一直是碳纤维材料商用化推广的先驱。

参考文献

来源：前沿材料