深度分析丨大丝束碳纤维为何是发展的制高点！大丝束碳纤维特点、存在问题及解决思路！

摘要

碳纤维复合材料性能优越，但高成本和生产效率问题阻碍其广泛应用。降低成本是关键，大丝束碳纤维因低成本高性能成为重要发展方向。尽管面临技术挑战，国内外企业正积极探索解决方案。吉林化纤集团的大丝束碳纤维项目是中国在该领域的里程碑，有望降低应用成本，促进纺织工业转型。全球范围内，日本和美国企业占据主导地位，中国企业也在积极发展，推动国内碳纤维产业成长。

正文

碳纤维复合材料以其优异的性能在多个领域均有使用，但因为成本和批量化生产效率的问题，迟迟没有大规模应用。如何高速、高效大批量生产高质量、低成本的碳纤维复合材料，并提高材料利用率，是业界人士的共同目标。

如何降低成本

碳纤维复合材料没有得到市场的广泛认可，归根到底还是整体成本的问题，如何有效降低整个过程中的材料成本、生产成本及维修成本是取得市场认可的王道，这是小目标，也是大目标。

大丝束碳纤维

低成本大丝束碳纤维的应用是发展低成本复合材料技术研究的重要内容。据相关数据显示，在小丝束碳纤维市场上，日本企业所占有的市场份额占到全球产能的49%；在大丝束碳纤维市场上，日本企业所拥有市场份额占到全球产能的52%，美国企业所拥有的市场份额占全球产能的24%，日美两国合计拥有全球76%的大丝束碳纤维生产能力，处于明显的主导地位。

一般48K以上的碳纤维才称为大丝束碳纤维，主要应用在工业领域，如汽车、轨道交通、风电叶片、能源建筑和体育用品等，预计未来几年需求增速每年将超过16%以上。到2020年，全球需求预计将达到15万吨以上，中国将达到7.7万吨以上。

卓尔泰克大丝束碳纤维

★典型特点

相对于小丝束碳纤维，大丝束碳纤维有很多特点：

（1）碳纤维的原丝采用民用聚丙烯腈丝

制备碳纤维的关键是碳纤维原丝，原丝性能的好坏关系到制备的碳纤维性能的好坏。日本东丽、东邦公司以及美国的海克赛尔公司不但不转让制备小丝束碳纤维原丝的技术，也都不出售其产品。而制备大丝束碳纤维的原丝属于民用聚丙烯腈丝（即腈纶丝）范畴，可以在国外商品市场自由购买，不受任何限制。制备小丝束碳纤维的原丝价格是民用聚丙烯腈原丝价格的4倍。

（2）低价格、高性能

民用聚丙烯腈原丝是制备大丝束碳纤维的原丝，通常原丝价格约为制备碳纤维成本的 60%左右，因此，大丝束碳纤维的售价可以控制到小丝束碳纤维的50%-60%左右。市场上的一些大丝束碳纤维主要性能已经接近甚至超过了部分小丝束碳纤维。以下是美国卓尔泰克公司（已被收购）的大丝束碳纤维PAN-EX35的拉伸强度和拉伸模量，参数上都超过日本东丽公司小丝束T300，而它的价格相对较低。

表1  PANEX35 大丝束与小丝束 T300 性能比较

★主要问题

大丝束碳纤维应用存在很多技术问题，主要是展纱的工艺和效果。相对于小丝束而言，大丝束纤维聚积，展纱效果不好，纱片难以均匀浸润，纱片厚度和质量很难达到产品结构设计的要求; 在展纱过程中经常出现纱毛，导致乱纱和断纱，影响生产效率和产品外观，材料性能得不到有效转换，产品性能不稳定。

★解决思路

可从两方面入手：

一是改进展纱浸润设备，使大丝束碳纤维本身充分展开，利于浸润和成型;

二是从浸渍树脂体系上进行研究，改善体系粘度和大丝束碳纤维相容性，使大丝束碳纤维得到更好的浸润。

国外情况：在大丝束碳纤维缠绕应用方面，美国卓尔泰克公司所属的Entec公司对现有缠绕机展纱浸润过程进行了系统的研究，用最低成本解决方案使现有缠绕机能够很好的使用低成本大丝束碳纤维，消除了顾客的顾虑。该团队从缠绕机的纤维纱架、浸前展纱、浸润胶槽和绕丝头等几个部分系统进行了研究和测试。

国内情况：国内外针对大丝束碳纤维产业化应用的预浸设备和缠绕设备进行了设计和改造，目前研究大丝束碳纤维展开的主要方法有机械法和声波法。

天津海天长丰科技开发有限公司发明的大丝束碳纤维薄层化处理装置利用花轴带动大丝束作上下交替振动将移动的大丝束薄层化。

常州市润源经编机械有限公司发明的结构简单、成本低廉的大丝束碳纤维扩展装置，利用相切设置的加热辊筒拓展大丝束碳纤维。拓展后的碳纤维制成的制品厚度小、纤维利用率高，使碳纤维的优良性能得到了充分发挥。

上海晋飞日精复合材料有限公司发明了低成本高性能大丝束碳纤维展开装置。利用超声波扩纤法对大丝束碳纤维在预展纱装置和主展纱装置上2次展纱，能有效将大丝束纤维展开。

蓝星( 北京) 化工机械有限公司发明超声波胶槽、大丝束碳纤维制造复合芯线的设备及方法。通过调整胶槽外的超声波的强度和作用时间使大丝束碳纤维物理开纤，达到理想的浸润效果。

★国内里程碑

2016年10月12日吉林化纤集团1.2万吨大丝束碳纤维项目开工，致力打造“中国碳谷”。吉林化纤集团公司立足发展“低成本、大丝束、工业级”碳纤维产业，与浙江精功集团有限公司、绍兴众富控股有限公司共同出资组建公司并合作建设的项目，也是吉林省政府与中国建材集团公司成功签订战略合作框架协议后，正式动工建设的第一个项目。项目规划用地12.5万平方米，总投资18亿元，拟建6条2000吨/年大丝束碳纤维生产线，最终形成年产1.2万吨大丝束碳纤维的生产规模。项目建成投产后，年均可实现销售收入13亿元，实现利润1.98亿元，上缴税金1.45亿元。此次开工建设的为一期2000吨/年大丝束碳纤维生产线，计划于2017年10月1日建成投产，后期我们还会持续关注。

目前我国大丝束碳纤维仍然是空白，全部依靠进口，大丝束碳纤维成为未来碳纤维发展的主流方向。吉林省政府与中国建材集团公司成功签订了战略合作框架协议，全力推动吉林省1500吨T800级小丝束碳丝示范线、4万吨工业级大丝束碳纤维原丝、2万吨碳丝等生产线建设，力争到2025年，吉林省碳纤维产业实现20万吨原丝、10万吨碳丝的生产能力，促进吉林省碳纤维产业发展。

吉林化纤集团公司拥有国内最大的碳纤维原丝生产线，可生产1K、3K、6K、12K、24K、48K等聚丙烯腈基碳纤维原丝、碳丝及其相关制品，产品等级稳定在 T400 级水平以上，碳纤维原丝年产能达到8000吨，现正在扩建碳纤维原丝生产线，建成后碳纤维原丝产能将突破10000吨。

吉林精功建设1.2万吨／年大丝束碳纤维项目，依托吉林化纤集团公司碳纤维原丝的质量、成本优势及碳纤维产业联盟技术优势进行建设，有利于突破大丝束碳纤维产业化生产瓶颈，填补我国大丝束碳纤维的空白，降低碳纤维应用成本，拓宽其应用领域，推动我国纺织工业加快结构调整与转型升级。

来源：DT-新材料