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    決定碳纖維性能的關鍵環節——原絲
    時間:2022年04月06日 來源:天風證券  作者:佚名 瀏覽次數:

    1原絲是碳纖維關鍵半成品:決定最終碳纖維性能,成本中占比超50%
    (1)原絲具有碳纖維性能決定性:在原絲生產階段,會因為工藝細節與材料配比的區別產生一定程度的空隙、毛絲、絲線不均一等問題, 原絲的這些缺陷并不會在碳化階段中消失。好的碳纖維應該具備均一性特質,遺傳了原絲的缺陷之后,每段碳纖維的均一性會出現 差異,造成碳纖維拉伸強度不足。所以成品碳纖維的質量直接取決于用于生產碳纖維的原絲質量。雖然碳纖維可以結合樹脂材料可以通過改變浸漬法、溫度、步驟等程序控制碳纖維性能,但在原絲制造過程中,也可以通過添加氣體,液體和其他材料,為碳纖維中創建各種特性應用于不同下游。所以從原絲階段做起更加能夠生成特定性能更優的定制化碳纖維產品。
    (2)原絲的成本占比高:從碳纖維成本來看,原絲在碳纖維中的占比達到了51%,是第二成本占比碳化的兩倍以上,所以碳纖維的成本直接取決于原絲的成本,半成品原絲也是碳纖維未來實現降本目標收益最高的渠道。
    (3)PAN原絲的性能主要取決于其中的PAN分子的結構和排列形式,其中PAN分子結構的控制主要集中在聚合工藝,而PAN分子的排列形式則主要在紡絲工藝中形成。所以性能優良的碳纖維,首先要具備性能優良的PAN原絲。

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    原絲的兩個關鍵步驟-聚合:一步法穩定性強、速度慢:兩步法產能彈性大、速度快
    (1)聚合工藝主要分為兩種,均相溶液聚合(一步法)和非均相溶液聚合(兩步法):一步法指所用溶劑既能溶解單體、又能溶解生成的聚合物,因此反應完成后聚合液可直接用作紡絲。兩步法指溶劑只能溶解單體而不能溶解生成的聚合物(一般采用水作為介質,又稱水相沉淀聚合),紡絲前再用溶劑重新溶解聚合物制成紡絲溶液。
    (2)從生產彈性和速度來考慮,首先兩步法較容易掌握,且可以實現間歇生產,產能彈性更強;其次,兩步法可以在生產過程中持續填料, 生產速度更快。但若從聚合熱、聚合物質量、操作難度等來考慮,一步法對規模工業化生產而言,更加有利于生產工藝控制和產品質 量穩定性。目前來看,國內外主要廠商采用一步法生產工藝路線較多,海外的陶氏和蒙特以及國內的吉林碳谷采用兩步法。
    (3)溶劑的使用上,DMAC、DMSO和NaSCN為主流:一步法使用的主要溶劑有DMSO、DMF、DMAC、NaSCN、ZnCl2;兩步法使用的溶劑主要有DMSO、DMF、DMAC。從海內外的廠商選擇來看,主流溶劑為DMAC、DMSO和NaSCN,其中DMAC和NaSCN更適合大絲束產品,而DMSO更適合小絲束產品,因此即便DMSO的價格遠高出其他溶劑,但聚焦小絲束的廠商大多數仍選擇DMSO。

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    3.原絲的兩個關鍵步驟-紡絲:干法產品性能好,濕法成本低
    (1) 干法紡絲:將紡絲原液經噴絲頭形成細流,溶劑被紡絲甬道中熱空氣揮發帶走的同時,聚合物通過濃縮和固化形成初生纖維,方法操作簡單,溶劑的回收率大。干法紡制的原絲截面更規則,所以遺傳到后續預氧化和炭化環節的缺陷更少,有利于生產高性能原絲,T700以上的碳纖維生產工藝都基本采用干法。
    (2)濕法紡絲:將紡絲原液經過濾、脫泡,通過計量泵從噴絲頭擠出,在凝固浴的作用下,原液細流凝固形成一層膜,凝固劑擴散到細流內部,而細流中的溶劑也通過皮層擴散到凝固浴中,經過雙擴散成型,適當的噴絲頭拉伸形成初生纖維,濕法成本較低,但紡速較慢。
    (3)干濕法(干噴濕紡):干噴濕紡結合了干法和濕法的技術優勢,在操作流程上和濕法更相似,紡絲原液經噴絲孔噴出后不立即進入凝固浴,而是先經過空氣層再進入凝固浴進行雙擴散、相分離和形成絲條。

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    4.紡絲不同工藝路線對比:濕法和干濕法為主流,小絲束采用干濕法、大絲束采用濕法
    (1)干法VS濕法:從紡絲階段看,由于噴絲板孔數的差異,濕法更適合于大絲束產品。牽伸速度上,干法明顯快于濕法,但通過改進, 目前濕法的牽伸速度也有了明顯提升。由于干法需要原液在熱空氣中蒸發,其成形溫度和原液溫度都要明顯高于濕法。干法濕法 的工藝不僅影響紡絲階段,由于工藝不同,其對紡絲原液的要求也有較大差異,從而對聚合階段造成影響。無論從粘度、聚合物含量和溶劑濃度來看,干法對紡絲原液的要求都更高。
    (2)紡絲路線選擇:由于干法對工藝要求較高,成本相對較高,主流碳纖維原絲生產企業較少采用干法,此前干法工藝的企業也逐漸轉向干噴濕紡。以中復神鷹、光威復材以及海外的卓爾泰克為代表的小絲束產品生產企業以干噴濕紡為主;以吉林碳谷、上海石化以及海外的蒙特、東邦為代表的大絲束產品生產企業則以濕法為主。

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    5.紡絲環節決定單線產能,紡速、絲束數影響較大,干法紡速大于濕法
    (1)紡絲單線產能:決定紡絲單線產能的因素較多,包括基礎紡速、年工作小時數、紡位數(錠數)、噴絲孔數、纖度、成品率和收縮率等。從紡速來看,不同技術路線差異較大,一般干法>干噴濕法>濕法,相同技術路線下,各家企業的紡速又有差異,差異形成的原因包括噴絲孔孔徑、紡絲液粘度等。從噴絲孔數來看,這直接取決于產線生產的產品類型,24K的生產線就需要2.4萬個噴絲孔,而12K產線就需要1.2萬個噴絲孔,因此,理論上看,絲束數與單線產能成正比,但實際上,由于不同產品造成紡速、紡位數的變化實際會有差異。
    (2)熱輥牽伸——提升紡速:傳統紡絲線的牽伸和烘干流程中均采用蒸汽加熱,由于蒸汽傳導熱能效率較低,因此牽伸的線速度較慢,大致為80~240 m/min。而熱輥牽伸采用電磁感應直接加熱導絲輥,在同等輥徑條件下熱效率增加,能有效提升基礎紡速。即使大尺寸的導絲輥,預計線速度也在500m/min以上,紡速提升將有效增加單線產能。

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    來源:天風證券

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