【原创】浅谈高性能沥青基碳纤维的处境

2022-05-10 15:27:42   来源:沥青基碳材料   评论:0 点击:   字体大小:

沥青基碳纤维并不是近两年才发展起来的,早在上世纪60年代,日本发明了通用级沥青基碳纤维的工业化生产。70年代,美国率先完成了石油系中间相沥青基碳纤维的工业化应用,至今也超过50年的发展历程。上世纪80年代是沥青基碳纤维是飞速发展期,先后超过20多家的公司对该领域进行了布局,其中不乏杜邦、康菲石油、日本鹿岛石油这样的大公司。他们的初衷都是基于提高石油炼制品和煤化炼制品的附加值,从而生产一种低成本的碳纤维材料。经过了80年代的火热之后,人们发现沥青基碳纤维并不是人们想象的那么完美,至少短期内不会带来非常可观的利润,以至于绝大部分公司都退出了这个领域的布局。至此,通用级沥青基碳纤维只有日本大阪石油气、吴羽化学等国内少数几家在经营。高性能沥青基碳纤维仅仅剩下了索尔维(原美国氰特)、日本三菱、NGF三家规模化的公司,三家年总产能在1500吨左右。最近几年,沥青基碳纤维项目在国内热度,达到了前所未有的高度。今天主要讲一讲高性能沥青基碳纤维现在的处境(下文中所讲的沥青及碳纤维专指高性能沥青基碳纤维)。文中观点,仅仅是个人观点,有所片面,在所难免,欢迎指正。

相对于PAN基碳纤维的大火,动则上万吨的新建产能,为何沥青基碳纤维没有大火呢?对此众说纷纭,市场和价格是最相对重要的因素。

都说碳纤维市场很大,但是沥青基碳纤维的市场却很小。对于性能而言,沥青基碳纤维的优势是刚性(模量)和导热,强度却比PAN基低不少。但目前大规模应用的场景,PAN基碳纤维的刚性完全能够满足。但是反过来而言,对于目前大部分场景沥青基碳纤维的强度就太低了(强度最高的沥青纤维,也刚达到次T300水平),这导致风电、甚至汽车领域,沥青基碳纤维很难有作为。对沥青基碳纤维能满足的场景,大部分都是航天或者军事领域(大部分是利用导热性能),而这两个领域用量都比较小,所以民用大市场对沥青基碳纤维的饥渴度不够,这导致成熟厂商对沥青基碳纤维新建产能都比较犹豫。综上所述,。除非开发新的应用领域,且沥青基碳纤维在该领域中有独有的优势,沥青基碳纤维才有可能大规模应用。否则除了不计成本的军工领域,沥青基碳纤维很难出彩。随着热场领域的发展,沥青基碳纤维的高导热性也许有一定的应用前景,但以目前的价格来看,大规模应用还为时尚早。目前来看,沥青基碳纤维的应用场所决定了,它就是一个小众的碳纤维产品。

目前在大部分结构件上,沥青基碳纤维应用场景相对较少,另一个重要的原因是价格。目前PAN基大丝束纤维的价格一般在150/kg以内,而沥青基碳纤维的价格虽然不是很透明, 有证据表明工业级高模量的沥青基纤维远超这个数,而高导热类型的每公斤则高达几千元(正规市场)。所以高昂的价格更让很多场所,不敢尝试用沥青基碳纤维。其实碳纤维应用的很多场所,其机械性能都是富盈的,其实没必要要求碳纤维那么高的强度(T300以上),沥青基碳纤维的强度依然能够胜任。如果能将沥青基碳纤维的价格降到相对PAN基而言具有更高竞争力的水平(一般认为在100/kg以内),沥青基碳纤维依然有市场需求。但目前就是沥青基碳纤维太贵了,民用很难用得上。

话说两头,沥青基碳纤维价格高昂是什么造成的呢?

垄断是价格高昂的主要原因。目前能稳定供应的也就那么几家公司,高导热长纤又对我国技术封锁。只能通过特殊渠道获取,价格自然高居不下。生产一个包子,可以铮5块钱,又何必生产2个包子,挣5块钱呢。这也是大家都不愿提高产能的一个原因。

原料提纯以及沥青制备技术工艺复杂。沥青基碳纤维热处理工艺虽然比PAN基的简单,控制点少,但是沥青原料的调制,要求比较高。并不是普通的沥青拿来就能用,有资料表明,无论是煤系还是石油系,都需要经过反复提纯和精制,才能用来纺制纤维。每一次的提纯与精制都消耗了原料,使最终的沥青收率降低,从而增加了成本。

良品率低是沥青纤维价格昂贵的另一个原因。初生沥青纤维比较脆,非常容易断,这增加的长纤纺丝的难度,从而使沥青纤维的良品率较低。

热处理能耗高使另外一个因素,虽然从原丝到碳纤维,沥青纤维的收率高,但其氧化活性低,与PAN基相比,沥青纤维不融化需要更长时间、更高温度。PAN基碳纤维是经过1000多度的碳化的,但沥青基碳纤维经过1000多度碳化后,模量与导热都没有竞争性。想要达到不错的机械性能需要经过2500度以上的高温处理,无疑增加了成本。

综上所述,沥青基碳纤维想摆脱军工军工领域专用的瓶颈,需要先需要从应用端入手,开发新的应用终端,只有了需求端迫切的渴望,才有推动扩大产能的动力,从而降低成本。而降低成本除了从产能出发外,还可以通过改进工艺条件,提高良品率,改变或优化热处理条件,提高国产化水平,从而促进行业的整体健康发展。


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