风电强势增长给增强材料带来了哪些机会？

丝和干喷湿纺（亦称干湿法纺丝），主要区别在于喷丝板与凝固浴的位置关系不同。目前，国内外生产聚丙烯腈原丝的工艺主要为湿法纺丝和干喷湿纺。干法成型的纤维结构较紧密，但内部形成的原纤多，处于淘汰阶段。

 

湿法成型的纤维纤度变化小，纤维上残留的溶剂少，容易控制原丝质量，是目前广泛应用的纺丝工艺，干喷湿纺是纺丝工艺的新发展趋势。（《高浓度PAN／DMSO 溶液干湿法纺丝工艺研究》）湿法纺丝是原液经过计量泵，然后从喷丝头挤出，原液细流直接进入凝固浴，在凝固浴中迅速凝固成丝条，形成初生纤维。纺丝原液从喷丝头喷出进入凝固浴后，原液细流的表层首先与凝固浴接触，进行传质，很快凝固成一薄层，凝固浴中的水不断通过这一薄皮层扩散至细流内部，而细流中的溶剂也通过皮层扩散至凝固浴中。

 

干喷湿纺不直接浸入凝固浴，是纺丝原液经过喷丝板喷出之后先经过一段 3-10cm 的空气层，然后再进入凝固浴。空气层是有效的拉伸区，不仅可提高纺丝速度，而且容易得到高强度、高取向的原丝，原丝的结构均匀致密，因此要得到高强度的碳纤维，较好的方法是采用干喷湿纺。同时，由于干喷湿纺工艺要求高压纺丝和高倍牵伸，所以还能够令生产效率成倍提高。但此方式对纺丝工艺和原液质量要求极高，任何不稳定因素导致的任何一根原液断流都会最终破坏整个喷丝板的正常生产，因此干喷湿纺技术难度较大，国内仅少数企业能够掌握成熟工艺技术。

上图左：湿法纺丝和干喷法纺丝的主要差异

上图：主要碳纤维厂商及纺丝方法

上图：PAN基碳纤维生产工艺流程

 

按照聚合和纺丝工艺是否连续可以分为一步法、两步法。由于溶液聚合可直接获得聚合物溶液，只要经过脱单、过滤及脱泡后即可用于纺丝，因此被称为一步法；而两步法使水相聚合，先通过水相沉淀聚合得到 PAN 固体粉料，然后经过粉碎、烘干等供需，最后利用有机溶剂溶解PAN 粉末来生产纺丝原液。总的来说，两者各有优劣。一步法工艺相对简单，可控性较好，但由于聚合过程不易散热、消耗的第三单体及溶剂较多、溶剂不易回收、溶剂的链转移系数大，不易获得高分子量的PAN 聚合物；两步法的聚合过程散热较为容易，溶剂几乎没有链转移系数，因此可获得一步法溶液聚合所不能获得的高分子量的PAN 聚合物，且纺丝原液通过溶解制备，使得可用于纺丝的PAN 原液可选范围广，提高了分子量和浓度上限。但另一方面，两步法工艺复杂，会加大生产成本，容易引入杂质，且聚合物粒径较大不易制得高性能 PAN 原丝，较少用于小丝束碳纤维原丝生产。目前“一步法—湿法”纺丝工艺是我国绝大部分碳纤维生产企业采用的工艺路线。

上图：PAN原丝的制备过程

 

过程控制：碳纤维的生产工艺流程复杂精密，全部参数多达3000 余个，因此整个碳纤维生产过程中的过程控制要求极高。纺丝原液的制备决定了PAN 大分子链的微观结构， 是整个流程的源头和基础，溶液净化程度和溶解的均匀性都可直接决定干喷湿纺工艺能否生产顺利甚至是否可行；原丝是碳纤维前驱体的成形阶段，原丝的高强度、细旦化、分纤性能优良、质地均一是制备高性能碳纤维的前提；预氧丝的制备是碳纤维生产过程中承前启后的桥梁，是组织结构转变的重要过渡阶段；碳化是乱层石墨结构形成、长大和有序化阶段，是碳纤维拉伸强度大幅度提高的阶段。整个生产流程中的每个环节都会对最终碳纤维质量造成不可逆转的影响，尤其是工艺中的缺陷，更是会跟随每一级流程遗传至终并产生连锁甚至扩大缺陷效应，因此，必须控制好每一步的生产质量，才会最终制得高性能碳纤维。对于大丝束来说，精确控制和生产过程中的调整均是难点，需要专业团队和长期的技术积累。 

 

碳丝环节核心壁垒在于设备及调试过程。PAN 原丝先进入预氧化炉（通常在180~280°C）生产出预氧化纤维，达到让预氧丝在炭化高温下不熔不燃，保持纤维状态，热力学处于稳定状态；预氧丝再放入低温炭化炉（300~1000°C）和高温炭化炉（1000~1600°C）制成碳丝。在预氧化和碳化的两个过程中，控制温度和时间是控制反应速度和结构变化过程的关键，也是核心设备的主要技术点。两个环节主要涉及的专用设备是预氧化炉和炭化炉，当前国内企业在这两个核心设备环节已基本完成国产化。但设备之外，厂家还需要根据自己的技术认知和经验对设备进行调试、改造，这个环节同样重要，需要经年累月的技术积累和投入，因此我们认为这个环节的竞争是存在先发优势的。

上图：碳纤维领域有布局的上市公司产能情况

 

 

碳纤维和玻纤将共享风电增长红利。玻纤相较于碳纤维有性价比优势，同时高模玻纤新型号的出现增加了其未来的发展潜力，高模玻纤拉伸模量等性能能够比肩碳纤维，同时兼有玻纤的成本优势，在风电渗透率提升过程中仍将扮演重要角色。但当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的优势将更加显现，特别是对于追求极致更大叶片的海上风电领域。当叶片超过一定程度，碳纤维比玻璃纤维在材料用量、劳动力、运输和安装成本方面都有显著降低。具体在成本端下降有以下的特点：

 

质量轻，在满足刚度和强度要求的条件下，碳纤维叶片比玻璃纤维叶片轻20%以上；

 

低负荷；变桨轴承、偏航系统、风机轮毂、塔筒变得更轻，更易操作、运输及吊装3）扰度更小，机翼部分更薄。机翼气动效率更高，提高风能的利用率和年发电量，动力问题少、预弯少、垂悬部分小，提高叶片的抗疲劳性能，可制造低风速叶片、自适应叶片，利用导电性能避免雷击，具有振动阻尼特性。另外，随着碳纤维产能产量的不断释放，碳纤维成本将很快能够大规模匹配下游可承受范围。总体我们认为，碳纤维和玻纤能够共享风电领域增长红利。