2.2、聚合和纺丝工序是造成原丝制备成本差异的重要因素
原丝制备是碳纤维制备的核心环节，原丝的质量和成本很大程度上决定了碳纤维 的质量和生产成本。据《高科技纤维与应用》，碳纤维的强度显著地依赖于原丝的 微观形态结构及其致密性，如果原丝的分子结构和聚集态结构存在不同程度的缺 陷，必将严重影响碳纤维的质量和性能。以PAN 原丝为例，其制备流程较长，主 要包括聚合、纺丝、蒸汽牵伸、上油、卷绕等工序，其中，聚合和纺丝是原丝制 备的重要工序。
2.2.1、一步法生产成本更低
按照聚合和纺丝工艺的连续性可以将PAN 原丝的制备方法分为一步法和二步法。 其中，一步法采用均相溶液聚合工艺，流程较短，工序较少，操作性强，可控性 好，有利于获得高质量的PAN 原丝，主要用来制备高性能的PAN 基碳纤维，目前 国内外主流碳纤维厂商多采用一步法工艺。二步法工艺相对复杂，但其采用水相 聚合能获得溶液聚合所不能得到的高分子量以及分子量分布均匀的聚合物，由于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，因此 二步法在质量上较一步法具有相对优势，但在成本上存在劣势。
2.2.2、以DMSO 为溶剂纺丝更有利于降低原丝制备成本
PAN 基聚合物溶剂包括二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、硫氰酸钠(NaSCN)水溶液、氯化锌(ZnCl2)水溶液等，其中，以DMSO 为溶剂纺丝得到的PAN 基原丝产量最大，碳纤维的力学性能最稳定。因此，在使 用单一溶剂纺丝的情况下，DMSO 溶剂纺丝效率更高，更有利于降低原丝制备成本。
2.2.3、干湿法纺丝成本显著低于湿法
按照纺丝方法可将PAN 基原丝的制备工艺主要分为湿法纺丝和干湿法纺丝两种。 干湿法纺丝即干喷湿纺，纺丝液经喷丝孔喷出后不立即进入凝固浴，而是先经过 空气层，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条。干湿法可纺出的纤维体 密度较高，表面平滑没有沟槽的高性能碳纤维丝束，且可实现高速纺丝，逐渐成 为PAN 基碳纤维纺丝方法的主流研究方向。东丽生产的T700、T800、T1000 碳纤 维均是通过干湿法纺丝工艺制备的。
干湿法纺丝的纺丝速度是湿法纺丝的5-10 倍，是制备高性能原丝的有效方法。由 于碳纤维制备能耗高，因此采用干湿法纺丝有利于提高生产效率，降低单位能耗， 降低单位成本。据光威复材招股说明书，公司募投项目“军民融合高强度碳纤维 高效制备技术产业化项目”采用干湿法纺丝工艺生产高强度碳纤维(12K 的T700S、T800S 碳纤维，公司目前主要采用湿法纺丝)能够大幅降低公司碳纤维单位生产 成本。据《PAN 基碳纤维生产成本分析及控制措施》，在同样的纺丝装备及能源消 耗条件下，干湿法纺丝的综合产量是湿法纺丝的2-8 倍，PAN 基碳纤维丝束的生 产成本可降低75%。
2.3、缩短预氧化时间是降低成本的有效手段
预氧化在碳纤维制备过程中起承上启下的作用，是决定碳纤维生产效率和能耗成 本的关键，其成本约占碳纤维制备总成本的16%。PAN 基原丝预氧化目的是为了防 止原丝在碳化时熔融，通过氧化反应使线性PAN 大分子转变成耐热梯形结构，从 而使纤维在高温碳化过程中不熔不燃。预氧化过程耗时较长，温度较高(200°C -300°C)，工艺设备复杂，导致预氧化过程的能耗成本较高。若能在保证质量的前 提下缩短预氧化时间，则整条碳纤维产线的产量将得到提高，单位成本将大幅下 降。
据中国报告网，上世纪60 年代，东丽公司开始研制碳纤维时，其预氧化过程长达二十多小时，其后经过不断改进，现在几十分钟即可实现良好预氧化。据《低成 本聚丙烯腈基碳纤维的创新发展》(2017 年)，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)研发的等离子体预氧化法可使预氧化时间缩短至25-35min，与传统的热 空气预氧化法相比，等离子体预氧化法能耗下降75%，生产成本降低20%，且这种 预氧化方法可生产所有等级的碳纤维，从低端的工业用途到高端的航空航天级别。 据《PAN 基碳纤维生产成本分析及控制措施》(2015 年)，目前国内碳纤维生产过 程中，预氧化时间约为120min，国外已将预氧化时间缩短至90min 以下。预氧化 时间也是导致我国碳纤维价格显著高于国外巨头碳纤维价格的重要原因之一。
2.4、大丝束碳纤维单线产能更高，单位成本更低
碳纤维按丝束大小可分为大丝束和小丝束纤维两种。一般而言，每束碳纤维根数 不超过24000 根(24K，K 表示碳纤维单丝的数量，如1K 代表一束纤维丝里包含 了1000 根单丝)的被称为小丝束;大于24000 根(24K)的则称为大丝束。小丝 束碳纤维在工艺控制上要求更严格，碳化等设备造价高，初期以1K、3K、6K 为主， 逐渐发展为12K 和24K，主要应用于国防工业和高技术领域，如飞机、导弹、火 箭、卫星等。大丝束碳纤维一般由民用PAN 制备，成本相对较低，具有更高的性 能/价格比，主要应用于纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等领 域。
大丝束碳纤维相比小丝束碳纤维最大的优势在于其单线产能更高，单位成本更低。 以3k 和12k 的碳纤维为例，在工艺、设备和拉丝速度等条件相同的理想情况下，12k 的拉丝效率是3k 的四倍(单位时间生产的12k 碳纤维丝束重量约为3k 的四 倍)，因此12k 碳纤维的单位成本更低。据《大丝束碳纤维应用研究》，小丝束碳 纤维价格一般比大丝束碳纤维更高。
据《大丝束碳纤维应用研究》，大丝束碳纤维应用的主要技术问题是在制造预浸料 时，因丝束较粗不宜展开，导致单层厚度增加，不利于设计调整铺层。此外，大 丝束碳纤维有时会出现粘连、断丝现象，影响碳纤维的强度和刚度，导致其性能 有所降低，性能的分散性也相应较大。因此，大丝束碳纤维的制备难度较大，从 而导致大丝束碳纤维全球产量低于小丝束碳纤维。据中国产业信息网，2014 年， 全球PAN 基碳纤维产能约为12.8 万吨，其中小丝束碳纤维约为9.2 万吨，占72%; 大丝束碳纤维约3.6 万吨，占28%。而目前我国生产的碳纤维基本为小丝束(占 比超过90%)。此外，在小丝束碳纤维市场上，日本企业占据全球产能的49%;在 大丝束碳纤维市场上，美国赫氏占据绝对优势(全球市场份额高达58%)，其与德 国西格里、日本三菱占据了全球大丝束碳纤维市场98%的份额。据中国石化新闻 网2018 年3 月8 日报道，上海石化成功试制出国内真正意义上的48K 大丝束碳纤 维，并已贯通全流程，标志着国产碳纤维大丝束原丝生产制备技术实现了质的突 破，填补了国内空白。据光威复材投资者关系公告，公司复材风机碳梁(采用T700S，48K)部分采购吉林精工产品。
