【原創】淺談高性能瀝青基碳纖維的處境

2022-05-10 15:27:42   來源:瀝青基碳材料   評論:0 點擊:   字體大?。?a href="javascript:SetFont(16)">大

瀝青基碳纖維并不是近兩年才發展起來的,早在上世紀60年代,日本發明了通用級瀝青基碳纖維的工業化生產。70年代,美國率先完成了石油系中間相瀝青基碳纖維的工業化應用,至今也超過50年的發展歷程。上世紀80年代是瀝青基碳纖維是飛速發展期,先后超過20多家的公司對該領域進行了布局,其中不乏杜邦、康菲石油、日本鹿島石油這樣的大公司。他們的初衷都是基于提高石油煉制品和煤化煉制品的附加值,從而生產一種低成本的碳纖維材料。經過了80年代的火熱之后,人們發現瀝青基碳纖維并不是人們想象的那么完美,至少短期內不會帶來非??捎^的利潤,以至于絕大部分公司都退出了這個領域的布局。至此,通用級瀝青基碳纖維只有日本大阪石油氣、吳羽化學等國內少數幾家在經營。高性能瀝青基碳纖維僅僅剩下了索爾維(原美國氰特)、日本三菱、NGF三家規?;墓?,三家年總產能在1500噸左右。最近幾年,瀝青基碳纖維項目在國內熱度,達到了前所未有的高度。今天主要講一講高性能瀝青基碳纖維現在的處境(下文中所講的瀝青及碳纖維專指高性能瀝青基碳纖維)。文中觀點,僅僅是個人觀點,有所片面,在所難免,歡迎指正。

相對于PAN基碳纖維的大火,動則上萬噸的新建產能,為何瀝青基碳纖維沒有大火呢?對此眾說紛紜,市場和價格是最相對重要的因素。

都說碳纖維市場很大,但是瀝青基碳纖維的市場卻很小。對于性能而言,瀝青基碳纖維的優勢是剛性(模量)和導熱,強度卻比PAN基低不少。但目前大規模應用的場景,PAN基碳纖維的剛性完全能夠滿足。但是反過來而言,對于目前大部分場景瀝青基碳纖維的強度就太低了(強度最高的瀝青纖維,也剛達到次T300水平),這導致風電、甚至汽車領域,瀝青基碳纖維很難有作為。對瀝青基碳纖維能滿足的場景,大部分都是航天或者軍事領域(大部分是利用導熱性能),而這兩個領域用量都比較小,所以民用大市場對瀝青基碳纖維的饑渴度不夠,這導致成熟廠商對瀝青基碳纖維新建產能都比較猶豫。綜上所述,。除非開發新的應用領域,且瀝青基碳纖維在該領域中有獨有的優勢,瀝青基碳纖維才有可能大規模應用。否則除了不計成本的軍工領域,瀝青基碳纖維很難出彩。隨著熱場領域的發展,瀝青基碳纖維的高導熱性也許有一定的應用前景,但以目前的價格來看,大規模應用還為時尚早。目前來看,瀝青基碳纖維的應用場所決定了,它就是一個小眾的碳纖維產品。

目前在大部分結構件上,瀝青基碳纖維應用場景相對較少,另一個重要的原因是價格。目前PAN基大絲束纖維的價格一般在150/kg以內,而瀝青基碳纖維的價格雖然不是很透明, 有證據表明工業級高模量的瀝青基纖維遠超這個數,而高導熱類型的每公斤則高達幾千元(正規市場)。所以高昂的價格更讓很多場所,不敢嘗試用瀝青基碳纖維。其實碳纖維應用的很多場所,其機械性能都是富盈的,其實沒必要要求碳纖維那么高的強度(T300以上),瀝青基碳纖維的強度依然能夠勝任。如果能將瀝青基碳纖維的價格降到相對PAN基而言具有更高競爭力的水平(一般認為在100/kg以內),瀝青基碳纖維依然有市場需求。但目前就是瀝青基碳纖維太貴了,民用很難用得上。

話說兩頭,瀝青基碳纖維價格高昂是什么造成的呢?

壟斷是價格高昂的主要原因。目前能穩定供應的也就那么幾家公司,高導熱長纖又對我國技術封鎖。只能通過特殊渠道獲取,價格自然高居不下。生產一個包子,可以錚5塊錢,又何必生產2個包子,掙5塊錢呢。這也是大家都不愿提高產能的一個原因。

原料提純以及瀝青制備技術工藝復雜。瀝青基碳纖維熱處理工藝雖然比PAN基的簡單,控制點少,但是瀝青原料的調制,要求比較高。并不是普通的瀝青拿來就能用,有資料表明,無論是煤系還是石油系,都需要經過反復提純和精制,才能用來紡制纖維。每一次的提純與精制都消耗了原料,使最終的瀝青收率降低,從而增加了成本。

良品率低是瀝青纖維價格昂貴的另一個原因。初生瀝青纖維比較脆,非常容易斷,這增加的長纖紡絲的難度,從而使瀝青纖維的良品率較低。

熱處理能耗高使另外一個因素,雖然從原絲到碳纖維,瀝青纖維的收率高,但其氧化活性低,與PAN基相比,瀝青纖維不融化需要更長時間、更高溫度。PAN基碳纖維是經過1000多度的碳化的,但瀝青基碳纖維經過1000多度碳化后,模量與導熱都沒有競爭性。想要達到不錯的機械性能需要經過2500度以上的高溫處理,無疑增加了成本。

綜上所述,瀝青基碳纖維想擺脫軍工軍工領域專用的瓶頸,需要先需要從應用端入手,開發新的應用終端,只有了需求端迫切的渴望,才有推動擴大產能的動力,從而降低成本。而降低成本除了從產能出發外,還可以通過改進工藝條件,提高良品率,改變或優化熱處理條件,提高國產化水平,從而促進行業的整體健康發展。


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