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具备高端芳纶纤维产品生产技术和规模领先优势的龙头企业:
烟台氨纶(002254);
关注具有生产超高分子聚乙烯纤维技术与规模实力的上市公司:
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高性能纤维复合材料
1、高分子复合材料简介
高分子复合材料是高分子材料和另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合粘结而成的多相固体材料,并且拥有界面的材料。
高分子结构复合材料主要包括:
①增强剂。
为具有高强度、高模量、耐温的纤维及织物。
②基体材料。
主要是起粘合作用的胶粘剂,如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂。
高分子复合材料最大优点是博各种材料之长,如高强度、质轻、耐温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质,根据应用目的,选取高分子材料和其他具有特殊性质的材料,制成满足需要的复合材料。
2、高性能纤维复合材料简介
高性能纤维复合材料属于高分子复合材料,它是由各种高性能纤维作为增强体置于基体材料复合而成。
其中高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m3)等优良物性的纤维材料,它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。
高分子复合材料与传统材料相比,具有更高的比强度、耐化学品和耐热冲击性,以及更大的设计灵活性。
按照合成的原料不同,高性能纤维主要分为碳纤维、芳纶纤维、特殊玻璃纤维、超高分子聚乙烯纤维等,其中碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维是当今世界三大高性能纤维。
高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现,是建设现代化强国的重要物资基础。
高性能纤维复合材料是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础原材料,同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休闲等国民经济领域具有广泛的用途。
高性能纤维复合材料应用领域
①、航天军工:
飞机、卫星、火箭、导弹、雷达等。
②、体育用品:
高尔夫球槽、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、钓鱼竿和自行车等。
③、工业应用:
基础设施:
修复、更新和加固等。
新能源开发:
如沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等,以及风力发电机的螺旋桨和风叶、光伏产业热场材料等。
陆地交通:
刹车系统、转动轴、车身以及环保汽车用的压缩天然气气瓶等。
电子领域:
通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线等。
二、高性能纤维复合材料前景
1、全球高分子复合材料市场格局
全球复合材料工业的发展速度远远高于世界经济的增长速度,2009年全球复合材料的产量约900万吨,总产值约1000亿欧元。
其中北美、欧洲和亚洲是三个最大生产和应用地区,全球树脂基复合材料的年平均增长率在5%以上,其中亚太地区的增长率可达7%(中国约为9.5%、印度约为15%、欧洲和北美地区为4%)。
根据JEC集团2010年最新调查研究报告显示,最近几年全球复合材料需求增长一半都在亚洲,预计亚洲在全球复合材料市场所占比重将从本世纪初的25%提升至2010年的51%。
其中亚洲的风能市场有望独自占据全球复合材料市场的5%。
重量减轻问题将驱动新型商业飞机的发展采用更多的复合材料,航空航天业每年也都会有11%的产量增长。
在基础设施快速发展的推动下,预计到2015年亚洲复合材料产量将翻番以上,即达到1000万吨。
全球复合材料发展的大趋势是,整个行业的重心正在从欧美发达国家转向亚洲。
预计中国和印度的经济增长和基础设施建设将进一步推动亚洲高分子复合材料市场的增长,未来将在全球价值190亿美元高分子复合材料市场中发挥更大作用。
2、国内高性能纤维复合材料需求空间大
21世纪以来,全球复合材料市场快速增长,亚洲尤其中国市场增长较快。
2003-2008年中国年均增速为15%,印度为9.5%,而欧洲和北美年均增幅仅为4%。
2009年,中国复合材料产量达323万吨,全球占比为25.78%,已先后超过德国、日本而居世界第二位,并接近居世界首位的美国水平。
从复合材料的应用领域来看,国内市场中复合材料最大的应用领域为建筑和基础工程,合计约为71%,而用于交通运输的比例相对比较小,只占5%,低于全球24%平均水平;
根据JEC集团的2010复合材料市场年度调查结果,到2013年中国将占据全球复合材料市场增长43%的份额,其中在建筑施工领域将占市场增长率的67%。
随着中国在2009年成长为世界最大的汽车市场,预计中国道路运输行业所需复合材料也将占据全球同类行业45%的市场份额。
预计到2015年,“十二五”期间,中国复合材料需求量达到600万吨。
随着国民经济的高速发展,经济结构的转变,新能源、环保、高端装备制造等其他新兴产业的加快发展,国内高性能纤维复合材料需求将日渐强劲。
其中交通运输、工业设备发展推动高分子复合材料增长潜力很大,从子行业应用看,航天航空、汽车、风电等行业需求增长力度较强。
3、航空航天领域-趋势、需求是驱动力
在飞机制造方面,全球小型商务机和直升飞机的复合材料用量已占70%一80%,军用机30%一40%,大型客机15%一20%。
高性能纤维在飞机上的比例已从原来的10%-20%上升至50%-80%。
波音公司和空中客车公司为了抢占世界飞机制造市场,投入大量人力和资金开发新型客运飞机,大量使用高性能复合材料,新型飞机中复合材料的比例逐年增加,波音787客机达到全机结构质量比的50%,空中客车A350客机也达到了全机机构质量比的40%。
未来几年中国飞机制造行业对高性能纤维复合材料的需求将迅速增长。
根据中国航空工业第一集团公司预测,到2024年,国内航空运输飞机拥有量将达到3165架,其中大型客机将达1,896架。
波音公司的2006年中国地区“当前市场展望报告”预计到2025年中国运输飞机数量达到3900架(为现有飞机数量的3倍),将成为仅次于美国的全球第二大航空市场。
另外在发展太空探索科技领域,对高性能纤维复合材料的需求也在增加。
4、汽车领域-安全、轻型化发展、需求是驱动力
过去10年,国内汽车生产和市场以超过GDP增速近一倍的高速度成长。
中汽协公布2010年中国汽车销售1804万辆,同比增长32.2%。
伴随近年来国内人均GDP的快速增长以及汽车均价下探,R(车价/人均GDP)值也呈快速下降趋势,2009年达到3.1。
根据海外发达国家汽车市场的经验显示,R值可被用来衡量一国汽车市场所处的发展阶段。
一般当R值在2-3时,将进入至少10年的私人汽车大规模普及阶段。
另外考虑国内千人汽车保有量偏低,我们认为,中国汽车市场依然有较大增长空间,预计未来15年中国汽车销售复合增速将达到13%。
由于环保和节能的需要,汽车的轻量化和环保已经成为世界汽车发展的潮流。
实验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;
汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;
汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。
高性能纤维复合材料作为一种先进的轻质高强材料,正好迎合了未来汽车轻量化发展方向的要求。
5、风力发电领域-大容量发展、需求是驱动力
自2006年国内颁布《可再生能源法》后,国内风电行业就进入了高速发展阶段。
2009年,国内风电新增装机容量1380.3万千瓦,增长率连续6年超过100%,居世界第一,成为增长速度最快的国家;
累计装机容量达到2580万千瓦,超过德国,位列全球第二。
根据中国风能协会预测,2020年中国风电累计装机容量将达2.48亿KW,较2009年增长近10倍,年复合增长率达22.8%。
随着现代风电技术的发展及日趋成熟,风力发电机组研究沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转化效率的方向发展;
海上风电的开发,对大型风电组的需求亦将增加。
目前国内海上风电开发方兴未艾,根据世纪证券研究所电力设备研究员的预计,到2015年,国内海上风电开发潜力为1500万千瓦,到2020年达到3500万千瓦,年均新增海上风电装机300万千瓦。
在欧洲和北美地区,陆地风电主流机型向3MW发展,海上主流机型向3-5MW发展。
目前,美国7MW风电机组研发成功,西班牙8MW风电机组正处于研发过程。
2008年全球新增风电机组的平均功率已经达到1560kW。
2009年,国内风电场新安装的MW级风电机组已占当年新增装机容量的86.8%。
风力发电需要大量复合材料,目前绝大多数风力发电机的转子叶片、机舱罩和整流罩都采用复合材料制造。
风机叶片是风力发电机的核心部件,造价约占整个设备的1/4到1/3。
由于当叶片长度增加时,质量的增加要快于能量的提取,随着叶片长度的增加,对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求,玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足,因此,在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时,采用高性能纤维复合材料势在必行。
三、高性能纤维发展受益于政策扶持
大力发展高性能纤维及其上下游产品完全符合产业结构调整和国家产业政策的要求。
《化纤工业“十一五”发展指导意见》将三大高性能纤维均入“十一五”期间化纤高新技术纤维发展重点;
《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》高性能纤维列入新兴产业,并指出要提升碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维及其复合材料发展水平;
《石油和化工“十二五”科技发展规划纲要》征求意见稿提出“十二五”期间,重点开发特种纤维(主要含碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等)及其树脂基复合材料。
2007年3月,《化纤工业“十一五”发展指导意见》提出:
①、碳纤维,进行原丝、预氧化丝、碳纤、预浸布及复合材料等产业链一体化研发,实现千吨级产业化突破。
其中:
T-300型为主的碳纤维产业链力争突破3000吨/年的产业化规模;
T-700等高性能碳纤维产业链在中试研发基础上,实现500吨级产业化。
②、芳纶纤维,高强高模芳纶1414是“十一五”攻关重点,急需在中试研发基础上,采用多种形式,实现500吨级产业化突破;
耐高温芳纶1313在已实现产业化初步成果基础上,进一步优化工艺技术,提高水平,稳定生产,扩大应用,力争总产能突破6000吨/年。
③、超高聚乙烯纤维,UHMWPE纤维产业化是国内自主研发高性能纤维最为成功的
品种,要积极稳妥地巩固研发成果,进一步提高水平,开拓应用领域,争取实现3000吨/年的产业化突破。
2010年1月,《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,高性能纤维列入新兴产业,将重点提升碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维及其复合材料发展水平。
2010年1月,《石油和化工“十二五”科技发展规划纲要》征求意见稿,“十二五”期间,重点开发特种纤维(主要含碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等)及其树脂基复合材料。
四、高性能纤维复合材料产业链
从产业链来看,高性能纤维复合材料的直接上游是作为增强体的高性能纤维和基材,其中高性能纤维起着决定性的作用,是研究的重点。
高性能纤维复合材料下游为各经济领域。
基材分金属、非金属;
高性能纤维增强材料分碳纤维、芳纶纤维、特殊玻璃纤维、超高聚乙烯纤维。
㈠、高性能纤维之一:
碳纤维
1、简介
碳纤维是含碳量在95%以上的新型高性能纤维,可用来替代铜、钢铁等金属。
它是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
其中聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是当今世界碳纤维发展的主流,占世界碳纤维市场的90%以上。
碳纤维具有轻质高强、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性,属典型的高新技术产品。
目前成熟市场有航空航天及国防领域和体育休闲用品;
新兴市场有增强塑料、压力容器、建筑加固、风力发电、摩擦材料、钻井平台等;
待开发市场有汽车、医疗器械、新能源等。
碳纤维的分类与性能:
碳纤维按照用途可分为两类:
一是24K以下的为宇航级小丝束碳纤维(1K的含义为一条碳纤维丝束含1000根单丝),二是48K以上为工艺工业级大丝束碳纤维。
碳纤维主要有四种产品形式:
纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。
布料是指由碳纤维制成的织品;
预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列,并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状;
短切纤维指的是短丝。
2、全球碳纤维概况-供过于求的可能性较大
国际上PAN基碳纤维的生产,从20世纪60年代起步,经过70-80年代的稳定,90年代的飞速发展,到21世纪初其生产工艺技术已经成熟。
起初,碳纤维主要用于军工和宇航,经过40余年的发展,其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。
根据“2010美国碳纤维会议”最新数据显示,2010年航空航天业用量为6390吨,预计到2014年将增至11550吨,增幅约为80%;
2010年消费品和娱乐业用量为7000吨,预计到2014年将增至8840吨,增幅约为26.3%;
2010年能源和工业用量为25850吨,预计到2014年将增至58870吨,增幅为128%,年复合增长率为22.85%。
其中碳纤维在工业能源领域应用占比将从65.88%提高至74.32%。
由于碳纤维生产工艺复杂、技术含量高,加之政治因素限制技术和设备等引进,目前全球碳纤维技术和生产仍主要控制在日本和美国手中。
全球可实现碳纤维产业化的国家和地区不足20个;
规模化生产企业不超过12家。
日本东丽、日本东邦、美国卓尔泰克、日本三菱丽阳是全球碳纤维产能排名前四的生产商,这四家分别占全球碳纤维总产能的23.4%、17.1%、14.3%和10.3%。
根据“2010美国碳纤维会议”最新数据显示:
2010年聚丙烯腈基小丝束(24K以下)碳纤维的设计产能为55950吨,预计到2014年将增加到68150吨;
2010年聚丙烯腈大丝束碳纤维的设计产能为24050吨,预计到2014年将增加到43700吨。
若按照目前50%-70%的产能利用率计算,2010年,碳纤维供需基本平衡,2014才年将出现供给缺口,但若产能利用率提高,供过于求的可能性较大。
3、国内碳纤维进口替代空间大
国内碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段。
目前国内碳纤维市场需求旺盛,因产能和技术瓶颈,碳纤维需求基本依赖进口。
据统计,2008年国内聚丙烯腈基碳纤维产量不到500吨,进口量约6000吨。
截至2009年底,国内碳纤维的需求总量已超过8000吨,实际碳纤维产量仅900多吨,进口依赖率高达83.9%。
2010年国内碳纤维需求达到1万吨左右,截至2009年底,国内碳纤维生产企业有23家,总产能为4000吨/年,规模都在千吨以下,成本较高。
在建或计划建设规模较大的碳纤维项目包括蓝星碳纤维项目、中油吉化碳纤维项目和中钢吉炭江城碳纤维项目。
随着油价高涨,节能概念与减碳环保意识抬头,碳纤维材料因具有轻、强之特性,将使得其在新兴产业的需求量将不断增长,国内碳纤维进口替代空间较大。
4、国内碳纤维技术仍待突破
目前国内少数利用自主技术研制的国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。
制约国内碳纤维发展的主要因素有两个方面:
一是碳纤维原丝质量问题。
国产原丝在纯度、强度以及均质化方面与国外相比存在较大差距,大大制约了国产碳纤维的产品质量。
目前国内只有以奇峰化纤为首的几家公司能够批量生产T300级原丝,其余依靠进口,而T300以上碳纤维原丝国外实施封锁,只出售附加值更高的碳纤维成品。
二是耐高温材料及大型高温炉。
国产碳化炉采用仅能允许在1400℃以下温度使用的碳化硅作为发热体,国外采用高纯石墨材料1800℃以上的高温碳化炉严格限制对国内的出口,中等规模的高温碳化炉进口价格高,导致国产碳纤维装置的建设成本过高,无法与进口纤维竞争。
5、碳纤维成本构成与盈利情况
PAN基碳纤维生产成本主要包括PAN原丝生产成本和碳纤维生产成本。
根据一般规律,生产1Kg碳纤维需要消耗2.2kgPAN原丝,即生产500t碳纤维需配备1100tPAN原丝生产能力。
以山东省碳纤维工程技术研究中心数据,以500t碳纤维为例,2010年丙烯晴1.87万元/吨的平均销售价格粗略计算,单吨碳纤维的生产成本约为15.8万元,原丝成本占比为30%,为4.65万元/吨。
民用碳纤维价格竞争优势不强,军工级碳纤维价格相对较高。
目前国内民用碳纤维市场售价一般在10万-20万元/吨左右,国外产品价格较高,受制于成本压力及国外产品竞争双重压力,国内碳纤维企业盈利空间有限;
军工级碳纤维的售价为200-300万元/吨,相对较高。
碳纤维产业是由原丝(PAN)生产到碳纤维,再到预浸料再到具体的终端产家这么一个产业链。
目前,原丝的售价是40元-50元/公斤,碳纤维为200元/公斤,预浸料为500元/公斤,每一级的深加工都有高幅度的增值。
若碳纤维价格维持低位,将促进其在工业应用范围,若碳纤维价格出现上涨,国内外存量产能及新增产能释放将抑制其上升空间,综合来看,目前碳纤维价格有可能维持低位,将促进碳纤维在高端产业和工业领域中的普及应用,因此碳纤维下游复合材料企业将从中直接受益。
6、上市公司概况
从碳纤维的产业链来看,原丝生产商为奇峰化纤(00549.HK);
对原丝进行碳化的上市企业是中钢吉炭(000928),其生产线产能为10吨/年的军工级碳纤维,在建的是金发科技(600143)2000碳纤维项目,预计2012年年底全部投产;
碳纤维下游企业包括碳纤维预浸料和复合材料生产的大元股份(600146)和生产军用、民用飞机炭/炭复合材料飞机刹车副及航天复合材料产品的博云新材(002297)。
①奇峰化纤(00549.HK):
原丝生产业务,吉林奇峰化纤的碳纤维厂房现在已能批量生产从1K、3K、6k、12k碳纤维原丝到350k大丝束,年综合生产能力1500吨,所生产的碳纤维原丝碳化后达到或超过T300水准,其中1K和3K碳化指标已经接近T700水准,产品销售给中国的碳化企业及军工企业。
②中钢吉炭(000928):
碳化业务,公司全资子公司神舟碳纤维公司是国防科工委唯一认证的碳纤维生产商公司。
目前拥有一条生产线,工艺成熟,产能为10吨/年,主要生产1k、3k的T300级碳纤维;
公司目前拥有30%股权的江城碳纤维2000吨碳纤维项目主要产品为12KT300级小丝束碳纤维,主要用在民用、工用领域,2008年开始筹建。
一期500吨/年的生产线建设将于2011年8月投产,二期1500吨/年的生产线建设将于2012年年底投产,届时江城碳纤维公司年产能将达到2000吨。
③金发科技(600143):
碳化业务,金发科技碳纤维项目是广东省和广州市重点项目,该项目引进国外氧化炉、碳化炉等先进设备,配置相应的生产辅助设备。
公司碳纤维项目预计将在2011年6月前开始投产,全面投产后将实现年产2000吨高性能PAN碳纤维的生产规模。
④大元股份(600146):
碳纤维预浸料和复合材料产品业务,公司持有60%股权的嘉兴中宝碳纤维有限责任公司是国内三大碳纤维制品巨头之一,嘉兴中宝拥有产能300万平方米碳纤维预浸料生产线。
其申报中华人民共和国知识产权局的“用于架空电缆的碳纤维-树脂复合材料芯”发明专利已于2010年8月取得国家知识产权局发明专利申请初步审查合格通知书。
⑤博云新材(002297):
碳纤维复合材料等新材料产品业务,公司的“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”为国家重点工业性实验项目的成果,于2003年研发成功,使国内成为继美、英、法三国之外掌握该技术的国家。
2009年5月,公司研制的空客-320系列炭/炭复合材料刹车副获得了发航总局PMA证书,公司已具备其生产能力。
公司碳纤维相关业务为军用、民用飞机刹车副<
炭/炭复合材料飞机刹车副>
、航天用炭/炭复合材料产品。
㈡、高性能纤维之二:
芳纶纤维
芳纶纤维(聚对苯二甲酰对苯二胺)是一种新型的高科技合成纤维,具有高强度、高模量、耐高温、耐酸碱等特性。
其主要用途是用做增强材料和防弹材料,广泛应用于国防、航空航天、信息通讯、轮胎、体育用品、传送带、高强绳索等领域。
芳纶纤维主要有两大类:
芳纶纤维主要分为对位芳酰胺纤维(PPTA,或芳纶1414)和间位芳酰胺纤维(PMIA,或芳纶1313)。
芳纶1313具有突出的耐高温、阻燃和绝缘性,成为高性能纤维,主要应用于高温防护服、电绝缘和高温过滤等领域。
芳纶1414则具有高强度高模量的特点,素有高分子材料中的“百变金刚”,主要应用于个体防护、防弹装甲、力学橡胶制品(MRG)、高强缆绳、石棉替代品。
①、芳纶1313:
工艺:
一步法工艺,即低温溶液间歇聚合,原液经过过滤后直接进行湿法纺丝,水洗后干燥,切断后打包。
性能:
耐高温:
分解温度371℃;
阻燃性:
极限氧指数29;
断裂强度:
4-5
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