技術推廣：蘭州藍星攻克千噸級50K產業化技術

隨著新一輪“西部大開發”戰略全面啟動，西安、蘭州等西北城市再度“吸睛”。在碳纖維領域，蘭州藍星纖維有限公司（以下簡稱“蘭州藍星纖維”）這幾年也因在大絲束碳纖維產業化領域的不斷突破而備受關注。

近期，該公司又傳出了好消息。7月22日，中國紡織工業聯合會以線上視頻會議的形式，組織對蘭州藍星纖維“千噸級NaSCN法50K大絲束碳纖維產業化關鍵技術及裝備研究”項目進行技術成果鑒定。

經過專家委員會一致評定，該項目通過鑒定。鑒定委員會認為，該公司“大絲束碳纖維生產過程的整體技術已達到國際先進水平。”

事實上，今年以來，有的企業宣布要擴大在大絲束領域的投資，有的企業宣布將新涉足大絲束，還有去年宣布新建的大絲束項目也有新推進。多種跡象都表明，大絲束正在成為我國碳纖維市場本輪蓬勃發展的新驅動力。

蘭州藍星攻克千噸級50K產業化技術

蘭州藍星纖維位于蘭州市西固區甘肅國際港園區，隸屬于中國化工集團有限公司旗下的中國藍星（集團）股份有限公司（以下簡稱“藍星集團”）。該公司采用NaSCN一步法工藝生產碳纖維原絲，具有流程短、能耗低、單線產能大等特點，是我國能夠實現低成本、工業化生產大絲束碳纖維的代表企業之一。

北京化工大學材料科學與工程學院副院長、國家碳纖維工程技術研究中心主任徐樑華是行業的“明星人物”之一，他對于衡量我國碳纖維企業的產業化水平，曾提出“千噸俱樂部”概念，意思是龍頭企業擁有的單線產能為千噸級的碳纖維生產線。由此來看，蘭州藍星纖維目前已成為具備千噸級規模化生產NaSCN法50K大絲束碳纖維的企業，成為“千噸俱樂部”成員之一。

有耕耘才有收獲。事實上，蘭州藍星纖維在該領域已經奮斗了10多年。時光退回11年前的2009年5月，那時，西北大地火熱的夏天還沒到來，2008年注冊成立的蘭州藍星纖維懷揣著對碳纖維的雄心壯志，在蘭州西固區開始了建廠基建。

那一時期的國產碳纖維行業，基本還處于產業化起步階段。自2004年開始，國外碳纖維的價格不斷上漲，我國從國外進口碳纖維，價格快速上漲到8000多元/公斤，此后又突破了1萬元/公斤。2005年，受臺海局勢等因素影響，我國進口碳纖維的渠道幾乎被中斷，國內需要的碳纖維被國外斷供。這一時期，嚴峻的市場形勢讓碳纖維這一戰略性材料備受關注，也讓很多人更加深刻地理解了其作為“新材料之王”的價值內涵。

或許正是由于當時的這種市場形勢，讓藍星集團下定決心在碳纖維領域大干一番。當時，國內碳纖維行業正處于第一輪投資期，各類資本都躍躍欲試，藍星集團便成為其中的一分子。但是企業發展前景究竟如何，一切都還是未知數，畢竟大家都是“摸著石頭過河”。

從2003年到2013年這漫長的10年左右的時間里，國產碳纖維全行業整體為了解決“從無到有”的難題而苦苦拼搏。在這一階段，我國碳纖維行業剛剛邁出產業化步子，一路蹣跚著前進，而日本等國家的企業競爭對手開始逐漸采取“入門級T300產品大幅降價，高級別產品大幅漲價”的策略。內憂外困、壓力重重，這一時期的國產碳纖維行業基本處于“全行業虧損狀態”。但當時，大家心里都憋著一口氣，咬著牙也得繼續往前走，蘭州藍星纖維也不例外。

2012年3年，蘭州藍星纖維年產1500噸碳纖維生產線帶料試車成功。2013年8月，其5000噸/年的碳纖維原絲生產線一次投料試車成功。2014年7月，經北京化工大學檢測，蘭州藍星纖維生產的12K碳纖維達到國際上同類產品T700的質量標準。2016年4月，其1500噸/年的碳化裝置實現連續生產運行。2018年，藍星集團投資上億元，對蘭州藍星纖維原絲生產線進行技術改造，產品由原來的24K升級為50K。2019年下半年，其50K碳纖維生產線全線通過，產品依托自產原絲成本優勢和北京碳纖維技術研究中心的研發優勢，突破了我國大絲束碳纖維產業化生產瓶頸。

在近期的鑒定會上，蘭州藍星纖維黨委書記、總經理周寶慶介紹，公司目前已建成50K大絲束碳纖維千噸級生產線，其中，單線原絲年產能為4000噸，碳纖維年產能為1500噸。產品性能符合國標GQ3522水平，可以滿足碳纖維預浸料的制備要求，產品本征性能和應用工藝性也與同類進口產品不相上下，填補了國內50K碳纖維產品的市場空白。

從2009年5月到2020年，漫長的11年過去了，在西北這片廣闊的土地上，蘭州藍星纖維一步步結出了豐碩的果實。

另據了解，蘭州藍星纖維今年3月已與山東淄博市沂源縣簽約，接下來在沂源縣建設的二期項目將形成年產原絲5萬噸、碳絲25000噸的產業規模；7月，該公司還與上偉（江蘇）碳纖復合材料有限公司就碳纖維及其復合材料生產制造簽署《戰略合作協議》，接下來，雙方將在風電、汽車等領域形成長期、全面合作。

“我們致力于緩解當下國內大絲束碳纖維仍大量依賴進口的現狀。”周寶慶說。

大絲束的“魅力”很大但難點也挺多

大絲束是一種國際通用的碳纖維制造技術。

一名業內人士向記者介紹：“低成本、大絲束碳纖維的應用，是發展低成本碳纖維復合材料技術研究的關鍵。”

碳纖維指標中的1K、2K、3K、6K、12K等，是指碳纖維絲束中的單絲數量。按照絲束大小，碳纖維可以分為大絲束和小絲束兩種。一般而言，K數越大，涉及的生產制備和產業化技術難度越大。

小絲束通常是指每束碳纖維中的單絲根數小于24000根，如1000（1K）、3000（3K）、12000（12K）等。大絲束通常指每束碳纖維中的單絲根數大于或等于48000根（48K），如5萬（50K）、6萬（60K）、12萬（120K）等。50K就表示一束碳纖維絲束中有5萬根單絲，屬于典型的大絲束。

大絲束有何突出特點？一是生產效率高。相比小絲束，大絲束碳纖維最大的優勢，就是在相同的生產條件下能夠大幅度地提高碳纖維的單線產能，實現生產的低成本化。而且，在碳纖維復合材料制備過程中，其鋪層效率更高，生產成本能降低約30%以上。

“這有助于突破碳纖維因價格較高而產生的應用局限，為碳纖維復合材料進一步拓展應用市場奠定基礎。”一名業內人士說。

二是成本更低，性能高。國內制備大絲束碳纖維，目前使用的是聚丙烯腈基碳纖維原絲。通常，原絲成本約占碳纖維制備總成本的50%~60%。因此，大絲束碳纖維產品的售價可以控制到小絲束的50%~60%。同時，目前市場上一些大絲束碳纖維產品的主要性能，已經接近甚至超過了部分小絲束碳纖維。

江蘇澳盛復合材料科技有限公司技術總監嚴兵介紹：“大絲束作為工業級碳纖維，核心驅動力在于低成本，因此在保證碳纖維質量穩定性前提下，如何有效控制成本極其重要。比如，卓爾泰克公司的大絲束碳纖維PAN-EX35的拉伸強度和拉伸模量，在性能上相當于日本東麗公司小絲束T700，價格卻相對較低。在我國市場上，東麗T700目前的售價約為20美元/公斤，而每公斤PAN-EX35的售價約為十五六美元。”

廣州賽奧碳纖維技術有限公司總經理林剛介紹：“我們將拉伸性能接近T700的產品稱為高性能。目前，全球多款高性能大絲束產品的性能都與T700相當。比如，日本三菱TRH50-60K的拉伸強度達到了4830MPa,拉伸模量達到了250GPa；德國西格里的一款產品，拉伸強度達到了4800MPa，拉伸模量達到了280GPa。”

“用不了多久，在通用性能上，48K、50K等規格的大絲束碳纖維將可以做到基本能與T800相媲美。近幾年，民用小絲束產品的國際市場售價約為15美元/公斤~24美元/公斤，大絲束產品的售價約為13美元/公斤~14美元/公斤。”林剛進一步預測，“隨著低成本創新技術不斷發展，大絲束產品的售價有望降至10美元/公斤~12美元/公斤。小絲束是傳統產品，大絲束則是新興產品。接下來，將是大小絲束之間如何對抗。從現實情況看，未來，大絲束將會逐步侵占小絲束的市場份額，即便是在航空航天這一小絲束傳統的強勢應用領域，高性能大絲束也會逐漸打開應用市場。甚至還會出現更具成本優勢的‘巨絲束（大于100K）’加入大絲束的競爭。”

然而，相比小絲束，在原絲、聚合、預氧化、碳化等多個系統環節，大絲束碳纖維的制備技術都更難。

在原絲環節，如果生產的是1K、3K的小絲束碳纖維，一個噴絲板上會有1000個、3000個孔，但如果生產的是48K大絲束碳纖維，一個噴絲板上會有48000個孔，這本身就具有一定的挑戰性。同時，CV值的穩定性更難把握。以生產50K大絲束碳纖維為例，要求一個噴絲板上的5萬個孔里噴出來的每根絲的均勻度都一樣，相比小絲束碳纖維，其難度大了好幾倍。

碳化在碳纖維制備過程中至關重要，分為低溫碳化和高溫碳化。碳化過程伴隨著材料結構變化，原絲經預氧化后轉變為耐熱梯型結構預氧化絲，經低溫碳化和高溫碳化后，再轉化為具有亂層石墨結構的碳纖維。

上述業內人士介紹：“大絲束碳纖維原絲生產出來后，在碳化環節也面臨不少挑戰。在碳化環節，非碳原子會逐步脫除，碳原子會富集再結晶，劇烈的化學反應有可能會帶來新問題。比如，毛絲問題在原絲環節或許體現得并不明顯，但在碳化環節有可能就會凸顯出來。”

林剛強調：“從12K到24K，所用的技術工藝路線基本一樣，但是從24K到48K，中間跨越了一個巨大的技術門檻。大絲束技術與小絲束的一個主要區別，在于其高通量。由于在單位時間里的通量高，使大絲束產品在聚合、紡絲、氧化、碳化等多個環節更容易出現問題，也帶來很多復雜的技術問題和工程問題。”

“大絲束碳纖維的連續性能雖然比不上宇航級小絲束碳纖維，但是其技術壁壘也相當高，這在很大程度上導致了目前全球大絲束碳纖維的產量低于小絲束。”嚴兵介紹，“除了制備技術要求高，在后續的應用過程中，大絲束碳纖維由于纖維絲束較大、易于集聚，使展紗效果受到影響，進而容易造成樹脂對纖維的浸潤性較差、產生孔隙等缺陷。同時，在大絲束碳纖維展紗過程中，更容易出現亂紗和斷紗，導致纖維的力學性能分散性加大，這也進一步增加了大絲束碳纖維的應用難度。”

另據介紹，目前，國內外開發出了大絲束碳纖維的“薄層化”技術。經薄層化處理后，能使大絲束碳纖維的絲束厚度變薄，使纖維在預成型體中分布得更加均勻，降低了預成型體的滲透率，提高了均勻性。而且，經薄層化處理后，使大絲束碳纖維增強樹脂基復合材料的內部缺陷減小，使纖維/樹脂分布得更加均勻。

大絲束漸成全球碳纖維市場競爭熱點

從全球大絲束碳纖維市場看，美國知名碳纖維企業卓爾泰克（ZOLTEK）目前仍占據絕對優勢，但是該企業此前已被日本東麗公司收購。

事實上，這些年，全球知名企業一直在加碼大絲束。2014年2月，日本東麗以5.84億美元完成了對卓爾泰克的收購, 加強了其低成本、大絲束碳纖維的供應能力。2018年4月，日本東麗又宣布，增加其美國子公司卓爾泰克的大絲束碳纖維產能，將卓爾泰克在匈牙利工廠的產能從此前的年產1萬噸提高到15000噸；此后，又宣布將卓爾泰克在墨西哥工廠的產能從年產5000噸提高到年產1萬噸。

2017年11月，索爾維（Solvay）公司完成對德國大絲束（50K）聚丙烯腈基碳纖維優質原絲生產企業歐洲碳纖維有限公司（European Carbon Fiber GmbH）的收購。2019年12月，索爾維又宣布，與德國碳纖維制造商SGL達成聯合開發協議，致力于拓展大絲束（50K）、中模量碳纖維復合材料在民用航空市場的應用。

風電葉片市場需求大增拉動大絲束快速升溫。 

在我國市場上，除了蘭州藍星纖維，當前，具備大絲束碳纖維生產能力的主要廠家還有吉林碳谷碳纖維股份有限公司、吉林精功碳纖維有限公司、上海石化等。尤其是近幾年，隨著風電葉片用大絲束碳纖維需求的“跳躍式”放量，國內大絲束碳纖維市場的需求快速升溫，也拉動了碳纖維制備技術和產業化技術的不斷突破，以及產業規模的快速擴張。

林剛介紹：“2019年我國碳纖維的總市場需求中，小絲束的容量約為18000噸，其中大陸企業產的約有7000噸；大絲束的市場容量約有14000噸，其中大陸企業產的約有1000噸，其余主要靠進口。”

吉林碳谷是產業化“排頭兵”。2019年, 其“25K~50K聚丙烯腈基原絲及碳纖維關鍵技術和產業化開發”項目通過鑒定，項目總體技術達到國際先進水平。

該項目研發出大絲束碳纖維（25K~50K）產業化核心技術及關鍵裝備，研發出制備均質結構原絲的DMAC濕法“兩步法”紡絲技術，實現了單線5000噸級25K~50K原絲的穩定生產；研發出預氧化過程大絲束纖維恒定張力控制技術，結合溫度智能控制及自動除焦工藝，實現了單線2000噸級25K~50K碳纖維穩定生產。項目具有自主知識產權，整體形成年產16000噸大絲束原絲及年產4000噸大絲束碳纖維的產能。

記者了解到，自2019年以來，吉林碳谷的大絲束原絲市場需求快速增長，規模效應逐步顯現。吉林碳谷最新發布的半年報顯示，今年上半年，盡管受到疫情影響，但是其主營業務收入卻逆勢增長至2.13億元，同比大幅增長58.08%；實現凈利潤3403萬元，比去年同期增加3898萬元，同比增幅高達788.03%。

“上半年，公司主營收增長的主要原因是民用產品市場迅速開拓，橫向和縱向應用領域都拓寬，碳纖維原絲銷售快速放大，且成本降低；贏利大幅增加的主要原因是，隨著產品完成定型，大絲束產品放量，主要產品毛利率穩步上升。”吉林碳谷在公告中這樣表述。

另據了解，吉林碳谷目前正在建設年產4萬噸碳纖維原絲項目；吉林精功正在擴建大絲束碳纖維產能。

今年3月，上海石化也宣布，擬投資35億元，建設2.4萬噸/年碳纖維原絲、1.2萬噸/年的48K大絲束碳纖維項目。項目將采用自主開發的技術，建設2個系列原絲生產線，單系列設計產能為1.2萬噸/年；將建設6條碳纖維生產線，每條生產線的產能為2000噸/年。

“隨著應用不斷深入，大絲束產品開始出現供不應求的現象。公司新建項目，是為了滿足國內市場對大絲束碳纖維及復合材料的需求，并促進公司碳纖維技術進步。接下來，公司將通過降低成本費用、穩定產品質量，提升產品獲利能力。”上海石化在公告中這樣表述。

光威復材2019年7月宣布將在包頭分3期新建的“萬噸級碳纖維產業化項目”目前也有了最新推進。今年7月24日，光威復材發布公告宣布，子公司內蒙古光威碳纖有限公司以11256.01萬元拍得內蒙古包頭九原工業園區一地塊使用權，宗地面積約為42萬平方米。

對于大絲束市場的這種火熱，林剛分析指出：“企業選擇大絲束品種，一個重要的目標，就是要追求更低成本和大規模化的工業應用。過去十幾年來，我國碳纖維產業的整體發展基本還是在跟隨日本企業的技術路線，在小絲束制備上已取得了很大成就。但對于大絲束制備，從系統技術層面看，我國當前在大量裝備和工程化方面仍相對缺乏經驗。總體看，目前，國內外市場對大絲束的需求很旺盛，所以接下來，我國應該奮力發展大絲束碳纖維制備系統技術。還要注意的是，產業整體的降本增效非常關鍵，其中就包括要發展低成本大絲束和低成本高性能大絲束。當然，低成本技術其實是一項系統工程，大絲束只是其中的一個選項,從整體上看，提速（高速）和提束（絲束）都很關鍵。”

“從技術上看，國內大絲束碳纖維廠商當前已具備競爭優勢，接下來，大家在成本控制上還要再下功夫。因為當國產大絲束碳纖維直面國外產品競爭時，在性能達標的情況下，主要還是靠成本驅動。”嚴兵說。