碳纤维原丝环节的技术路线差异,主要体现在聚合与纺丝两道工序上。聚合分一步法与两步法:一步法工序少、转化率高,但纯度相对较低,以小丝束为主的国内厂商普遍采用;两步法工艺相对复杂,但适合生产大丝束,陶氏、三菱丽阳采用该路线。纺丝分湿法与干喷湿纺:干喷湿纺在成型时多一个空气层,可阻止大孔洞产生、均匀性更好。业内将纺丝工艺视为原丝环节最大的壁垒。

聚合环节:一步法与两步法的取舍

原丝制成一般历经聚合、制胶、纺丝三步,其中聚合路线决定了不少下游适配性。

一步法属于均相溶液聚合,流程较短、工序较少,操作性强、可控性好,溶剂介质既能溶解单体又能溶解聚合体,聚合纺丝可在一条线上完成。其优势是转化率高、单体回收量小,有利于提高原丝产品质量;短板是纯度较两步法低,且聚合反应后期粘度增大,换热脱单困难。国内主要厂商中,中简科技、光威复材、恒神股份、中复神鹰均采用一步法。

两步法先经水相沉淀聚合得到PAN固体粉末,再经粉碎、烘干后溶解制得原液。该路线可获得溶液聚合难以得到的高分子量PAN,原液可用于纺丝的范围更广,提高了聚合物分子量和浓度的上限;聚合釜生产能力较大、聚合热移除效率较高,适合生产大丝束。代价是聚合转化率较低、聚合物浓度较低、未聚合体回收量较大,且需严格控制搅拌速度。陶氏、三菱丽阳是该路线的代表厂商。

纺丝环节:湿法与干喷湿纺

湿法较为传统;干喷湿纺结合了干法纺丝技艺,成型时相比传统湿法多出一个空气层,从而阻止大孔洞的产生,均匀性也更好。选择何种喷丝方法,被视为原丝环节最大的壁垒。

国内厂商路线图谱

厂商业务主要产品聚合工艺溶剂纺丝工艺
吉林碳谷原丝大丝束两步法DMAC湿法
中复神鹰原丝-碳纤维小丝束一步法DMSO干喷湿纺
恒神股份原丝-碳纤维小丝束一步法DMSO湿纺/干喷湿纺
光威复材原丝-碳纤维小丝束一步法DMSO湿纺/干喷湿纺
中简科技原丝-碳纤维小丝束一步法DMSO湿纺/干喷湿纺

从设备端看,原丝的国产化仍有空间:以吉林碳谷为例,聚合釜、收丝机、喷丝板、纺丝线四类核心设备中,纺丝线已率先推进全线国产化,其余仍以进口为主。

常见问题

一步法和两步法最核心的区别是什么?

一步法工序少、转化率高但纯度较低,两步法则工艺复杂、转化率较低,却能获得更高分子量的PAN并更适合大丝束生产。两类路线没有绝对优劣,取决于厂商面向小丝束还是大丝束市场。

为什么说纺丝是原丝环节最大的壁垒?

纺丝决定原丝成型的孔洞控制与均匀性。干喷湿纺因多出空气层,可阻止大孔洞产生、均匀性更好,工艺实现难度也更高,因此被业内视为原丝环节最大的壁垒。

国内厂商主要采用哪种组合?

国内以小丝束为主的厂商多采用一步法,中简科技、光威复材、恒神股份、中复神鹰均属此类;大丝束方向的吉林碳谷则采用两步法搭配湿法工艺。