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专题研究 RESEARCH

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碳纤维专题(三)韩国碳纤维的研发与应用

2017-01-16 518浏览 标签: 韩国碳纤维

韩国碳纤维的研发与应用

一.背景

 碳纤维是一种耐热、耐化学反应、重量轻且具有优异力学特性的材料。

 韩国在碳纤维领域的研发与产业化进展与日本,欧美相比起步较晚,2006年开始正式投入研发,2013年开始碳纤维产品正式进入实用化阶段,扭转了韩国市场上碳纤维全部依赖进口的局面。以本土的晓星集团和泰光事业为代表的行业先锋积极进行碳纤维领域行业布局,势头发展强劲。此外日本东丽在韩国建立碳纤维生产基地也为韩国本土的碳纤维市场注入活力。后续一批孵化项目未来也有望扩大韩国在此领域的竞争力。

 对于只有短短十年的韩国碳纤维行业发展历程,现阶段取得的研发及产业成就离不开政府,产业领军企业的携手共建,相关科研机构与高校也在协同助力。 

二.政府

韩国朴槿惠政府为保证韩国的科技创新与竞争力,力图联合韩国各产业巨头在全国范围内建造17个创新产业中心,将创新的点子转化为真正的科研实力和商业利益。这一战略被称之为“创新经济”计划。

对于韩国全罗北道这一地区,虽然农业和旅游业发达,但是工业基础薄弱。朴槿惠政府选择联合晓星集团将其打造成为碳纤维的创新产业聚集地。旨在形成碳纤维材料产业集群,促进全北地区创意经济生态系统的发展。

2014年11月24日,朴槿惠总统出席了在全州完山区举行的全北创意经济创新中心开幕仪式。为了促进全北地区创意经济生态系统的发展,晓星携手全罗北道共同建立了全北创意经济创新中心。 政府方面将无偿批准晓星使用全州工厂用地,建设约1652.9㎡规模的创新产业中心(碳纤维孵化创业扶持中心)。

资金方面作为主要的投资方晓星将注入1.24万亿韩元资金(约合人民币68.42亿元),其中约1.2万亿韩元将用于全州工厂的扩产工作。晓星计划到2020年,将现有产能2000吨扩大到14000吨。至于余下的投资部分,200亿韩元将被用来成立“碳孵化器”基金("C" incubation fund),用于资助新创企业的成长,建成碳纤维孵化创业扶持中心;50亿韩元投入碳谷对等基金(Carbon Valley Matching Fund);30亿韩元为新创公司建立办公中心;还有约120亿用于包括建立碳纤维产品分销网络、IT技术支持等方方面面。韩国中央政府对此投资150亿韩元(约合人民币0.83亿元),全罗北道省政府对该项目下属Carbon Valley Matching基金注资100亿韩元。

建成的碳纤维孵化创业扶持中心将极大推动韩国碳纤维产业的发展,晓星和全罗北道计划首先集中培养20家有实力的小企业,让它们成为扩大“碳集群”的桥头堡。碳纤维孵化创业扶持中心不仅提供资金,还将传授大企业的管理经验,推动优秀创意转化为项目或产品,以及利用晓星的全球网络开拓销路等,必将在培养碳纤维行业相关中小企业和扩大“碳集群”中发挥中流砥柱的作用。入驻中心的企业还可使用产品开发实验设备以及获得原料供应。 

今后,晓星将携手全罗北道培养超过100家的碳纤维相关创新中小企业,其战略目标是将韩国素行业相关技术水平真正达到世界第三位,并将积极助力全罗北道的中小企业,使之成为象征韩国创意经济成果的“国家最具代表性的隐形冠军”。 

通过这些举措,其最终目标形成碳纤维材料→零部件→成品一条龙生产方式,建立可与美国硅谷比肩的碳纤维孵化集群,挖掘新市场,创造新的附加值,到2020年实现碳纤维相关产品出口额100亿美元(约10万亿韩元,折合人民币约552亿元)的目标。


 

 “去年竣工的全州工厂(晓星集团)生产出的碳纤维将代替钢铁成为‘未来工业的食粮’,因而备受瞩目”。

“要让创业•风险企业积极涉足应用了重量轻、强度大的碳纤维制作各类产品的下游产业”。

——2014年在全北创意经济创新中心开幕仪式上朴槿惠总统



朴槿惠总统手提用碳纤维制成的包(),试弹用碳纤维材料制成的吉他()

三.科研机构

(一)韩国科学技术研究院 KIST

韩国科学技术研究院KIST是一所位于韩国首尔的跨学科综合研究院,在德国萨尔布吕肯、江原道江陵市和全罗北道完州郡设有分院。KIST成立于1966年,是韩国首个综合性科技研究院。

KIST开发出低廉的碳纤维回收再利用技术。另外韩国国内研究组开发出能把汽车和飞机的外部装饰材料转化成高性能碳纤维的技术。 

KIST碳融合原材料研究中心首席研究员表示,研究组成功开发出了一种低廉技术,能从废弃碳纤维复合材料(CFRP)中有效回收再利用碳纤维。CFRP因其较轻且坚实的特性,被广泛运用于航空宇宙产业、高性能汽车等各领域,但没有回收再利用技术,一直以来被全部销毁。 

研究组在废弃的CFRP上加入水和低廉的添加剂,通过施加摄氏100度的温度、10气压的压力的方式,成功地把CFRP转化为碳纤维。在每年可以处理1吨规模的材料的设施上进行的实验结果显示,1500韩元的费用可以提取1公斤的CFRP。强度能维持在原素材的85%以上。 

研究员表示,如果使用该技术,可以将CFRP废旧材料的95%以上回收再利用。通过开发兼具经济成果、环保性的回收再利用法,可以立即实现产业化。




(二)其他科研机构

韩国科研机构在碳纤维领域的研究多集中在复合材料或者下游应用的开发上,本身对于碳纤维生产技术的研发较少。这些机构包括韩国产业评估管理院KEIT以及韩国机械研究所等。

此前,在碳纤维应用领域主持韩国国内企业技术开发的韩国产业评估管理院KEIT与波音公司签署合作备忘录。KEIT在国内进行波音所必要的零部件技术开发,波音将引进这一被开发的产品。

韩国机械研究所是一个国立研究所,研究领域包括机械、材料、船舶和航空航天技术。在材料工程部,复合材料是其主要的研究内容,进行纤维增强塑料的应用研究,如成型工艺、应力分析、复合材料设计等。其在碳纤维复合材料领域有所涉猎,主要面向船舶业的发展。

四.韩国高校

同韩国科研机构在碳纤维领域的研究相类似,韩国高校在碳纤维领域的研究多集中在复合材料或者下游应用的开发上,本身对于碳纤维生产技术的研发较少。

(一)高丽大学 Korea University



韩国高丽大学Korea University早在2002年,就在美国化学会高分子预印本上发表相关碳纤维研究论文。

论文题目:活性碳纤维的新型制备与表征法。(Novel preparation and characterization of activated carbon fiber);

相关作者:Young Gun Ko,Ung Su Choi,Jeong Su Kim,Dong June Ahn。

此外,高丽大学在碳纤维复合材料领域也在积极研发,2008年与东丽韩国公司开设先进复合材料研究中心。

 

(二)仁荷大学 Inha University

韩国仁荷大学Inha University在碳纤维领域的研究主要集中在碳纤维复合材料上。曾与中国吉林化工学院联合研发一项碳纤维增强的聚合物复合材料。相关论文发表于2013年4月的CARBONLETT

论文题目:Polymer matrices for carbon fiber-reinforced polymer composites;

论文作者:Fan-Long Jin, Seul-Yi Lee,Soo-Jin Park。

论文要点:碳纤维具有耐高温,高强度和刚度,和轻量化特性。被广泛应用在先进高分子复合材料的增强材料上。研究者旨在审查合成过程,分析材料属性和聚合物的基质。

(三)韩国科学技术院 KAIST

韩国科学技术院 KAIST在碳纤维领域的研究同样主要集中在碳纤维复合材料上(如碳纤维织物/酚醛复合材料,碳纤维/金属复合材料),复合材料是该校的优势学科项目,其相关研究成果如下:

论文题目:使用酸催化剂的质子交换膜燃料电池PEMFC的双极板材料-碳纤维/酚醛复合材料制成的超高速固化双极板材料;

Ultra high speed curing bipolar plates made of carbon fabric/phenolic composite using acid catalyst for proton exchange membrane fuel cell;

论文作者:Minkook Kim, Jun Woo Lim, Ki Hyun Kim, Dai Gil Lee。

 

论文题目:碳纤维/酚醛复合材料双极板的表面改性,HT-PEMFC纳米尺寸炭黑等的研究

Surface modification of carbon fiber phenolic bipolar plate for the HT-PEMFC with nano-carbon black and carbon felts

论文作者:Minkook Kim, Jun Woo Lim, Dai Gil Lee

 

论文题目:碳纤维/酚醛复合材料双极板与纳米尺寸炭黑的增强作用

Carbon fabric/phenolic composite bipolar plate reinforced with nano-size carbon black

论文作者:Minkook Kim, Jun Woo Lim, Ki Hyun Kim and Dai Gil Lee

 

论文题目:使用酸催化剂的质子交换膜燃料电池PEMFC的双极板材料-碳纤维/酚醛复合材料制成的超高速固化双极板材料;

Ultra high speed curing bipolar plates made of carbon fabric/phenolic composite using acid catalyst for PEMFC

论文作者:Minkook Kim

 

论文题目:碳纤维/金属混合式双极板PEMFC的发展

Development of carbon fabric/metal hybrid bipolar plate for PEMFC

论文作者:Ki Hyun Kim

 

(四)企业在高校开展学习讲座

2016年3月,晓星集团在首尔大学的大学院里开设了2016年度第一学期产学合作讲座。讲座名是“材料产业和技术创新”,将以首尔大学材料工程学府硕士、博士学生约40名为对象,进行15周期间的讲座。由禹相善晓星技术院院长及晓星技术院高层管理员、组长17名亲自当讲师,将以产学现场的真实案例为中心进行讲课。

 

讲课内容涵盖晓星世界市场占有率第一的产品氨纶、轮胎帘布到被作为下一代材料备受关注的碳纤维、聚酮、光学胶片等最新技术及研究领域。晓星的产学讲座因为让听课生先学到大学院正在进行中的研究将在企业得到怎样的应用,因此得到了很大反响。因为听课生们能够听到最近企业们关心的最新材料技术的专家讲课,并能进行讨论,因此讲座被评价为非常有用的讲座。通过产学合作讲座,培养有助于企业的专业知识人才,选部分学生为产学奖学生,为获得优秀人才创造机会。

 

晓星从2010年开始在韩国科学技术院KAIST、首尔大学、延世大学、高丽大学等处进行了产学讲座。

 

五.企业

韩国的碳纤维生产企业,目前引领产业化的主要包括本土的晓星集团、泰光实业以及日本东丽株式会社在韩国投建的东丽尖端材料韩国公司。

此外GS加德士、三星通用化学品和SK化学在碳纤维产业中还处于刚刚起步技术孵化状态。



就碳纤维产品性能而言:总体上东丽尖端材料韩国公司最优,晓星集团次之,泰光实业再次之。

(一)晓星集团

1. 晓星集团简介



2. 晓星集团碳纤维发展历程



 韩国晓星集团2010年独立自主开发的碳纤维材料引起业界强烈关注。2011年在韩国全州建立半商业碳纤维商业化生产线,碳纤维产能500吨/年。后续晓星集团斥资14亿余元人民币建造年产量达到2000吨以上的全州碳纤维工厂,该工厂于2013年4月正式投产,同时还计划投资70亿余元在全州地区建立尖端环保材料的科技园区,预计2020年底建成并投入使用。下一步,晓星还将投资1.24万亿韩元(折合人民币71亿),以扩大自己的品牌Tansome®碳纤维生产能力。以期在2020年实现14500吨碳纤维的年生产能力。

 

在此次晓星1.24万亿韩元的投资中,约1.2万亿韩元将用于全州工厂的扩产工作。公司计划到2020年,将现有产能2,000吨扩大到14500吨。

 

至于余下的投资部分,200亿韩元将被用来成立“碳孵化器”基金("C" incubation fund),用于资助新创企业的成长;50亿韩元投入碳谷对等基金(Carbon Valley Matching Fund);30亿韩元为新创公司建立办公中心;还有约120亿用于包括建立碳纤维产品分销网络、IT技术支持等方方面面。韩国中央政府同时也会向“碳孵化器”基金注入100亿韩元;而全罗北道省政府将向碳谷对等基金注资100亿韩元。

 

晓星集团的一系列举动打破了一直以来韩国碳纤维领域由日本和美国公司独霸的局面,也解决了韩国国内碳纤维基本依赖进口的问题。晓星集团曾在2013年表示。其目标是在2015年前后,将自产的碳纤维材料能应用于全韩国30%以上的相关企业。目前来看,晓星集团基本达到了这一目标。



韩国晓星集团碳纤维生产基地——全州工厂

3. 晓星集团碳纤维牌号及参数

韩国晓星集团的碳纤维主要产品牌号:TANSOME®

TANSOME®是碳纤生产工艺中的焚烧工序“烧性(tanning)和特别(something special)的结合,意为创造附加价值。晓星集团在韩国国内最早研发成功的高强度性能等级的碳纤维。

韩国晓星集团碳纤维产品图片


4. 晓星集团碳纤维产品应用领域

成功于开发的High Performance Grade碳纤维由High Strength Grade(抗张力4.9 GPa, 弹性系数 250 GPa)和Intermediate Modulus Grade(抗张力 5.5 GPa, 弹性系数 290 GPa)组成。这是满足世界碳纤维需求70%的核心等级产品,被使用于各种产业领域、体育休闲、航空等多种用途。

该产品的全球市场需求量每年正以10%以上的速度高速增长,为了跟进这个高速增长的步伐,晓星集团自2013年起年生产能将达到2000吨,并且以此为起点,通过不断的研发开发工作来实现产品差别化从而扩大投资,并且2020年进入顶级领域为目标奖持续不断的增大产能。


5. 晓星相关研发


1971年在韩国晓星集团作为民营企业成立了附属研究所 ,晓星研发实验室, 在70年代以韩国成长动力的合成纤维领域技术为基础, 把研究领域扩大到化学原料及产品、新材料领域。2006年9月为了更高一层次的飞跃, 晓星合并中央研究所和生产技术研究所成立了晓星研发实验室。2011年度基于10大核心技术, 改编5大研究团体致力于集团新事业的创立。晓星研发实验室为逐渐成为公司的未来成长核心的有前途的新事业, 不断开发确保关于新事业的研究技术。同时, 在原有的事业领域继续开发新产品及生产工程, 致力于把这些研究早期应用到实际工作。

(二)韩国泰光实业

1. 泰光实业简介     


2. 泰光实业碳纤维发展历程   

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3. 泰光实业碳纤维牌号及参数       


备注:

- 良好的物理及电子特性:高强度及模量,轻量化,导电性,低热膨胀

- 可以要求提供多样化的长度。

- 依客户用途需求的不同,提供不同的集束剂及集束剂量。

 

4. 泰光实业碳纤维产品应用领域  

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5. 泰光实业相关研发

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(三)东丽尖端材料韩国公司

1. 日本东丽和东丽尖端材料韩国公司

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2. 东丽尖端材料韩国公司碳纤维发展历程      

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3. 东丽尖端材料韩国公司碳纤维牌号及参数  

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