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高性能纤维:“以应用促发展”的重要转移

作者: 中国纺织      时间: 2015-09-07
高性能纤维在今天中国纺织化纤工业乃至整个国民经济发展中的地位“极其重要”且“极为特殊”。
重要性不言而喻。高性能纤维不仅是未来中国纺织工业主要经济增长极——“产业用纺织品”的重要原料支撑,更是《中国制造2025》中规划的十大重点发展领域之一——“新材料”的主要组成部分。高性能纤维地位的特殊性体现在自身的发展历程和发展路径之中。高性能纤维首先是一个“白手起家”的行业,由于发达国家的全面封锁,行业的发展一切从零开始;其次该行业经历了前期长时间的政府资金支持、企业大量投入的研发起步阶段,现阶段正处于一个重要的成果显现期。
在近期召开的“高性能纤维与复合材料工程前沿技术研究高层论坛”上,记者从诸多该行业上下游产业链的参与者中听到这样的观点:“高性能纤维,尤其是发展较成熟的几个子行业,例如碳纤维、芳纶,未来需要将行业重点向着开拓应用领域的方向倾斜。但是这并不代表对于实验室研究的轻视,恰恰相反,正是需要通过不断的开拓应用市场,坚定企业发展的决心,激发研发人员的工作热情,从而更好的将高性能纤维之前的研究成果产业化,以及实现研究室阶段的再次突破和升级。”简单地说,高性能纤维已经全面进入了“以应用促发展”的“应用时代”。
地位:国家战略 必须且必要7月15日,由中国工程院环境与纺织工程学部、中国化学纤维工业协会、中国纺织工程学会、东华大学、杭州萧山区人民政府主办,由中国纺织工程学会化纤专业委员会、中国化学纤维工业协会生物基纤维专业委员会、中国化学纤维工业协会高新技术专业委员会、东华大学民用航空复合材料协同创新中心、东华大学材料科学与工程学院、国家纺织化纤产品开发中心承办的“高性能纤维与复合材料工程前沿技术研究高层论坛”在杭州萧山隆重召开。
这是一次跨学科、跨产业,产业链上下游协同创新的一次探索,是高性能纤维行业首次举办这样大规模、下游企业集中的行业学术技术交流论坛。由于本次论坛是围绕高性能纤维及其复合材料的应用技术交流,是中国工程院重点关注的学科领域,是中国高端制造的重点攻关方向,本次论坛吸引了行业内五名院士共同出席聆听,分别是:中国工程院院士郁铭芳、周翔、孙晋良、蒋士成、姚穆、俞建勇。除此之外,国家发改委产业协调司巡视员贺燕丽、机械装备处处长吴卫,工信部消费品司处长陈新伟,浙江省发改委产业处处长金菊萍,中国化学纤维工业协会会长端小平,中国国际咨询工程公司主任乐有华,杭州市萧山区区委副书记、区长卢春强等专家领导,以及高性能纤维与复合材料及相关产业的专家、学者和企业代表约300人出席了会议。
中国工程院院士蒋士成在论坛致辞时指出:“新材料是支撑我国战略性新兴产业的基础材料,是发展先进制造业和高技术产业的物质基础,是全球发展最快和最活跃的科学技术领域之一,其技术和产业的发展水平与规模,已成为衡量一个国家综合国力的重要标志;高性能纤维及其复合材料是新材料中最重要的组成部分,其应用关系到人类社会进步、经济发展和国防建设,是构筑低碳经济、环境友好和国家高技术产业发展的关键材料,对促进国民经济相关部门的创新发展、产业升级换代与提升国家竞争力至关重要。”
市场:需求增长 毫无疑问
高性能纤维行业发展到今天,应用较成熟的品种主要是:碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、玄武岩纤维、聚酰亚胺纤维。目前这些品种大多都已经多多少少的完成了下游应用市场的产业化,参与到了人类的生存发展活动之中。
中国化学纤维工业协会会长端小平在大会作专题报告时给出了这样一组数据:目前碳纤维的全球产能为12.3万吨,而中国只有1.5万吨,占比不到五分之一;芳纶全球产能为12万吨,而中国只有1.86万吨,这两种纤维的产能与全球产能差距较大,其他品种产能差距不大,基本都超过全球产能三分之一。
碳纤维和芳纶是高性能纤维品种中应用领域较多,产业化较为成熟的两个行业,按照目前的中国发展情况来看,未来的空间还非常巨大,尤其是和目前中国常规化纤在全球的低位比较之后。
端小平在会上指出:“未来五到十年将是中国高性能纤维行业,尤其是碳纤维、芳纶等行业大浪淘沙、优胜略汰的关键阶段。虽然目前我们在世界基本处于‘二流水平’,但是追赶是中国人的强项,从这个意义上讲高性能纤维的发展空间和机遇更大,况且从全球视野来看,目前也是高性能纤维行业发展的一个上升期。”因此对于以碳纤维、芳纶为代表的中国高性能纤维行业来说目前的产业发展大环境是较为有利的。
除此之外,根据全球最主要碳纤维生产商预测,保守估计到2035年碳纤维的需求量有望达到35万吨,乐观估计可达70万吨。中国化学纤维工业协会给出的预测是:“预计到2020年全球碳纤维的需求量将达到14万吨。”而根据中国化学纤维工业协会对常规纤维的运行分析得出的盈亏平衡点是80%,协会估算碳纤维应是55%左右。也就是说:“到2020年碳纤维的产能要在现在基础上翻番,才能满足市场需求。”
从应用角度来看,目前碳纤维的下游应用中,在体育休闲领域的应用是全球平均约为14%,大中华地区的占比为60%,而在航空航天领域碳纤维的应用全球约为29%,而大中华地区只有不到3%,中国只有不到1%。因此以碳纤维为主的高性能纤维在航空航天、轨道交通、建筑、船舶、汽车等高端应用领域还有很大的发展空间。
关键:低成本 高品质
对于高性能纤维行业发展来说,增长是一个毫无悬念的话题,没有人会质疑这个行业未来的发展空间,正如上文所言,未来高性能纤维需要大力发展的应用领域主要集中在高端应用:汽车、轨道佳通、航空航天。而高性能纤维在这些领域的应用主要是以“轻质高强材料”为角色参与其中。
东华大学材料学科教授,纤维材料改性国家重点实验室副主任余木火指出:“轻质高强材料是比强度最高的一种材料,几十年来,几乎成为发达国家实力的象征之一。而对中国而言,‘中国制造2025’的核心竞争力之一就是轻质高强材料。”
目前轻质高强材料已经成功在欧美发达国家实现大规模应用,比如C919和双通道大型客机、BMW I3电动车等。尤其是BMW I3电动车的量产,颠覆了汽车生产的核心技术。BMW I3电动车是一部全碳纤维车身,重量只有151公斤的汽车,全车共有34个零部件均以胶结。余木火教授告诉记者:“在宝马莱比锡工厂,你看不到任何金属焊接的火花,因为生产碳纤维车身用树脂粘接即可。”目前,宝马正在将碳纤维技术推广到10个车型。余木火感叹的说道:“宝马确实是一个里程碑式的企业,中国的品牌汽车如果再不进行提早布局,有可能被第二次甩飞。”
确实如此,记者了解到不仅是宝马,全球许多著名汽车企业都已经有了自己的“轻量化应用计划”:丰田计划到2015年实现除凯美瑞之外的三种车型轻100KG,到2016年,轻200KG;本田提出到2015年,所有车型比现在轻5%~10%;通用提出到2016年,新款车型比同型老款整备重量减轻15%左右。轻量化几乎成为了所有汽车企业的主要任务指标,而他们也成功建立了汽车主机厂与高性能纤维企业合作的新模式。
当前和未来,轻量化是低碳经济和先进制造业的核心技术之一,是国家竞争力的核心技术之一。轻量化不仅是在汽车领域,在轨道交通和航空航天领域的发展近年来也是飞速。烟台泰和新材料股份有限公司副总经理马千里介绍,目前有些小飞机的机身、A380的发房风扇罩、海鸥Ⅱ无人机机身整体均是使用芳纶复合材料。在国外比如意大利ETR500高速机车头部前突部分、芬兰Pendolion客车前端都是使用芳纶蜂窝材料,中国的CRH5采用环保、轻量化的芳纶纸蜂窝芯材作内装材料。
“质轻高强”的芳纶独有的蜂窝夹层材料目前已经在全球5000多量高速列车、双层列车、地铁、轻轨和城市轨道列车上应用。国际知名的客车制造商如ALSTOM、breda和中国长春客车制造厂都普遍采用芳纶蜂窝板作为列车的天棚、窗框、行李架、隔板、地板和橱柜灯内饰部件。上海特一新材料公司技术经理卫平说道:“简单地说,在国内北方地区,当你坐上CRH5的时候,车上能看到的所有内部东西都是使用芳纶蜂窝夹层制造的。”
芳纶蜂窝材料不仅在高铁上成功得到应用,在空客A350上也得到了应用。卫平告诉记者:“特一的芳纶纸蜂窝已成功用于空客A350上,于近期通过了中国商飞C919大飞机适航认证,特一将成为中国商飞首家非金属材料合格供应商。”
我们看到对于高性能纤维的轻量化应用目前已成为主流,并且在中国也实现了技术上的可能和市场上的证明,但是余木火告诉记者:“应用市场开发投入仍然过小,企业规模不大,基本属于千吨级,这和国外万吨级的企业根本无法竞争。中国应该将工作重心转移到开发市场,建立具有中国特色的大规模应用市场,建立万吨级企业,才能成为产业,才能具有竞争力。”
而扩大应用市场,建立大企业最终的目的是要:“加快复合材料的低成本制造技术。”对此端小平也指出:“低成本高品质的生产技术是目前国际化发展的趋势。”余木火告诉记者:“目前碳纤维的发展趋势正是低成本的通用级产品和超高性能产品。低成本碳纤维包括大丝束PAN-CF的生产高效化和高性能化,以及采用廉价的PE、木质素即混合物的熔纺工艺。超高性能碳纤维的代表是东丽的T1100G,三菱丽阳的MR-70,ASI的超碳纤维。”
对于高性能纤维来说,无论是碳纤维还是芳纶或者其他的纤维,降低成本对于行业未来加大应用是极为重要的。“十三五”是我国高性能纤维行业在转变经济发展方式大背景下的转型升级的关键阶段,也是主要品种赶超国际领先水平的起步阶段,在此历史时刻加强上下游沟通,形成产业链的合力对于行业发展具有着重要的积极意义。我们在本次论坛上看到了上下游间彼此从未有过的,如此的需要和重视,这是一种产业发展的自然规律带给行业的改变,我们相信有了这样一个良好的开端,高性能纤维行业的发展定将不负众望。