碳纤维行业系列报告：双碳激发碳纤维需求，重视“中国东丽组合”

双碳激发碳纤维需求，重视“中国东丽组合”——碳纤维行业系列报告证券分析师：郑嘉伟 A0230518010002 2022.03.21www.swsresearch.com2投资案件结论和投资分析意见•从需求角度来看，行业景气度态势仍将持续，中长期增长逻辑清晰，双碳带动碳纤维需求爆发•从供给角度来看，未来名义产能目前会大幅超过需求，但对此不必过于担心，我们认为碳纤维行业壁垒高技术壁垒与资金壁垒，使得部分新进入者的规划可能不及预期，对行业的竞争格局影响有限•从企业产品结构的角度来看，各家企业的布局思路不同，一类是以大丝束碳纤维作为未来发展重点，一类是不断深耕小丝束，高性能。我们推荐关注国内最早突破干喷湿纺技术的中复神鹰，重点布局碳纤维大丝束原丝、大丝束原丝市占率第一的吉林碳谷，这两家企业在大、小丝束的明显优势，形成了类似全产业链龙头日本东丽的水平，我们愿称之为”中国东丽组合”。•同时关注军品领域有先发优势的光威复材、中简科技，以及复材领域细分龙头金博股份、天宜上佳。原因及逻辑•碳纤维需求端短期看光伏领域；中期看风电领域，国产大丝束碳纤维突破有望改善风电领域目前两头在外的现状；长期看氢能+航空航天+交通运输，碳纤维是氢能产业链中储氢罐和碳纸的必要材料，航空航天对于碳纤维性能的要求更高，国产大飞机突破有望带动高性能纤维的增长，交通运输领域主要是汽车轻量化，短期囿于成本过高需求有限。此外，体育休闲领域一直以来是碳纤维行业的压舱石；•从供给角度来看，行业高技术壁垒限制了新进入者，部分新进入者投产可能不及预期，优质产能有限。大丝束企业扩产节奏更快，目前来看投产确定性较大，我们预计未来大丝束碳纤维竞争较小丝束碳纤维更加激烈，小丝束企业新进入者较多，优质产能有限，预计未来高景气度仍将维持；•从企业技术路径的角度来看，各家企业的技术路径不一，当下碳纤维行业严重供不应求的情况下，技术路径的差异并不会对企业带来重大影响，但是在未来行业竞争激烈的情况下，各家企业比拼的是成本和产品质量，关键就是工艺的成熟度，国内企业的成本目前已经足以和国际企业匹敌，即使未来进口放开，国内企业完全具备竞争能力；有别于大众的认识•市场可能认为未来短期碳纤维就会产能过剩，我们认为未来优质产能有限，实际有效供给将会大幅低于预期，此外双碳背景下，需求端迎来爆发，部分领域需求有望大幅超过预期。•市场可能认为未来进口碳纤维可能对国内企业造成较大冲击，我们认为不必过于担心，目前国内企业从成本的角度来看已完全可与国际企业竞争。tWjWjZjZdUoWoPmN9PdN6MsQmMoMnPlOpPmPeRmOrQ7NmOmNxNtOrNMYoOvN主要内容1. 碳纤维生产流程&主要技术拆解2. 碳纤维生产成本及降本路径展望3. 需求：10年高增，国内外格局分化4. 供给：增量供给看国内，优质产能不过剩5. 投资逻辑3tWjWjZjZdUoWoPmN9PdN6MsQmMoMnPlOpPmPeRmOrQ7NmOmNxNtOrNMYoOvN主要内容1. 碳纤维生产流程&主要技术拆解2. 碳纤维生产成本及降本路径展望3. 需求：10年高增，国内外格局分化4. 供给：增量供给看国内，优质产能不过剩5. 投资逻辑3主要内容1. 碳纤维生产流程&主要技术拆解2. 碳纤维生产成本及降本路径展望3. 需求：10年高增，国内外格局分化4. 供给：增量供给看国内，优质产能不过剩5. 投资逻辑3www.swsresearch.com1.碳纤维生产流程&主要技术拆解图2：碳纤维生产工艺流程资料来源：中简科技招股说明书、申万宏源研究碳纤维是由聚丙烯腈或沥青、粘胶等有机母体纤维，在高温环境下裂解 碳化形成碳主链结构，含碳量在 90%以上的无机高分子纤维。 碳纤维生产工艺流程长且复杂•碳纤维生产过程总体分为四步，原丝制备（包括聚合与纺丝）、预氧化、碳化/石墨化及表面处理/上浆。•简单来讲，碳纤维的生产过程是将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后将原液纺丝成型制成原丝，制成的原丝为碳纤维的前驱体；原丝经过氧化炉，在空气气氛下反应得到预氧丝，预氧丝在氮气保护下，分别经过低温碳化、高温碳化得到碳丝；为了更好地制成碳纤维复合材料，此时还需经过表面处理、上浆，最后烘干得到碳纤维。资料来源：DOE、吉林碳谷公开发行说明书，申万宏源研究4图1：碳纤维产业链www.swsresearch.com1.1原丝制备第一步——聚合核心在于多指标控制下的高效稳定反应 原丝的制备第一步是聚合过程得到原液•聚合是制备原丝至关重要的步骤。原料丙烯腈单体和溶剂二甲基亚砜（DMSO）与共聚单体和引发剂偶氮二异丁腈一起按配比投料进入聚合釜，在一定温度下进行溶液聚合反应，然后进行脱单脱泡处理后得到聚丙烯腈原液。•聚合过程中聚合温度、引发剂用量、水和单体比的控制问题是技术的关键。聚合反应过程中温度的控制非常重要，温度低，反应速率慢；温度高，反应速率快，但聚合物的立构规整性变差，会影响原丝、碳丝的质量。引发剂用量、水和单体比会影响聚合物的分子量，分子量及其分布是PAN聚合物重要的性能指标，具有较高的分子量以及适合的分子量分布是生产优质PAN原丝的基本要求。 均相聚合•单体AN 在特定溶剂中和共聚单体发生聚合，直接得到均一的 PAN 聚合物溶液。这种工艺流程简单、生产成本较低，故PAN的均相聚合被广泛应用于工业生产。•溶剂的回收是均相聚合工艺中重要的生产单元，回用的溶剂约占反应需求量的90%，因此寻找稳定高效的回收方式一直是均相聚合研究的重点之一。 非均相聚合•以水为溶剂开发了非均相聚合工艺，由于PAN聚合物不溶于水，聚合物会以粉末状形态的方式沉淀分离出来，再将粉末状PAN 颗粒配制成PAN原液，该工艺又根据引发剂种类分为水相沉淀聚合工艺和水相悬浮聚合工艺。•水相沉淀聚合选用水性引发剂，诱发溶解在水中的AN 单体进行聚合，低温聚合时常采用氧化还原体系引发剂。•水相悬浮聚合故采用易于脱除的油性引发剂二异丁腈 (AIBN)，引发剂在经机械搅拌、分散剂包裹的单体小液滴中引发反应。5www.swsresearch.com1.1原丝制备工艺路线——一步法、两步法各有优势 一步法&两步法•当下碳纤维企业通常用一步法或两步法来表明自己的技术路线。事实上一步法或两步法是根据聚合反应的连续性来区分，一步法是采用溶液聚合直接制备PAN纺丝原液；而两步法工艺相对比较复杂，要先通过水相沉淀聚合得到PAN固体粉料，然后经过粉碎、烘干等工序，最后利用有机溶剂溶解PAN粉末来生产纺丝原液。•一步法原丝工艺技术：此工艺技术中使用的聚合溶剂和纺丝溶剂相同，此方法工艺流程短、工序少，有利于提高原丝的产品质量。一步法的转化率高，单体回收量小，聚合釜通常采用螺带式搅拌器。•两步法原丝工艺技术：此工艺技术中使用的聚合溶剂和纺丝溶剂不相同，聚合釜的生产能力较大，且聚合热的移除效率也较高，适合生产大丝束，腈纶厂的生产常用此方法。但是此方法聚合转化率较低，聚合物的浓度也较低，且未聚单体的回收量较大。聚合过程中为防止聚合釜频繁结巴，设备材质通常选用铝合金。因搅拌速度对分子量影响较大，故通常采用浆叶式搅拌，严格控制搅拌速度。表1：一步法与两步法对比一步法二步法特