國(guó)內(nèi)外超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化及開發(fā)應(yīng)用進(jìn)展

楊正國(guó)

(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司銷售服務(wù)部，江蘇儀征 211900)

超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維是世界三大高性能纖維之一，也是國(guó)內(nèi)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程最具前景的高性能纖維之一，其具有高強(qiáng)、高模、低密度、抗紫外線、耐酸堿、耐有機(jī)溶劑等優(yōu)異性能，已經(jīng)成為國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)、航天航空事業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展不可或缺的新材料。國(guó)外產(chǎn)能主要集中荷蘭DSM、美國(guó)Honeywell和日本東洋紡，國(guó)內(nèi)企業(yè)自1999年開始產(chǎn)業(yè)化以來(lái)，目前已經(jīng)能夠完全依靠自主專利技術(shù)、國(guó)產(chǎn)設(shè)備、國(guó)產(chǎn)原料進(jìn)行生產(chǎn)，先后出現(xiàn)了30家左右的生產(chǎn)企業(yè)，主要分為干法紡絲和濕法紡絲兩種，干法紡絲技術(shù)主要是中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司在采用，其余廠家均采用濕法紡絲技術(shù)。

1 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展概況

國(guó)外超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維專利申請(qǐng)最早是由荷蘭DSM公司高級(jí)技術(shù)顧問Penning Smith等在1978年提出的，之后該技術(shù)被Allied－Singal(美國(guó)聯(lián)信)公司購(gòu)買，并在1984年開始產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，最后被Honeywell公司收購(gòu)。與此同時(shí)，荷蘭DSM公司也于1984年開始產(chǎn)業(yè)化工作，最初與日本東洋紡公司合作，后來(lái)DSM公司除了與東洋紡在日本合資生產(chǎn)外，也在荷蘭本土和美國(guó)獨(dú)資建廠，經(jīng)過幾次擴(kuò)產(chǎn)，形成了如今的生產(chǎn)規(guī)模。據(jù)日本化學(xué)纖維協(xié)會(huì)2012年公布的統(tǒng)計(jì)資料顯示，DSM公司總產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到8 400 t/a，其中纖維生產(chǎn)能力6 000 t/a;日本東洋紡總產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到3 200 t/a。在美國(guó)Honeywell公司的公開資料上顯示，產(chǎn)能僅900 t/a，但估計(jì)實(shí)際產(chǎn)能有2 000 t/a。表1為國(guó)外超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲廠商2013年產(chǎn)能估計(jì)。

表1 國(guó)外超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲廠商2013年產(chǎn)能估計(jì)

國(guó)外生產(chǎn)企業(yè)具有以下特點(diǎn):

a)生產(chǎn)高度集中。由于專利保護(hù)及相關(guān)的國(guó)家政策，國(guó)外的產(chǎn)能歷經(jīng)近30年的發(fā)展，多次進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，但依然集中在原有的企業(yè)，這樣不僅有利于國(guó)家對(duì)國(guó)防技術(shù)材料的支持和利用，也有利于企業(yè)自身能夠良性發(fā)展，避免市場(chǎng)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的影響。

b)技術(shù)實(shí)力雄厚。國(guó)外的幾家生產(chǎn)企業(yè)均是跨國(guó)大公司，技術(shù)實(shí)力雄厚，人才濟(jì)濟(jì)，非常重視研發(fā)和創(chuàng)新，近10年來(lái)，產(chǎn)品纖維的強(qiáng)度提高了50%以上，在產(chǎn)品應(yīng)用上的提高和開發(fā)也有很大的進(jìn)步，就目前傳統(tǒng)的防彈產(chǎn)品和防切割手套來(lái)說，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品檔次都有較明顯的差異。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維的研究工作始于20世紀(jì)80年代，主要由東華大學(xué)和中國(guó)紡織科學(xué)研究院分別進(jìn)行研究，1999年開始實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過10余年的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)共有超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維生產(chǎn)企業(yè)近30家，總產(chǎn)能9 530 t/a，實(shí)際產(chǎn)量5 620 t/a，2012年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能情況見表2所示。

表2 2013年國(guó)內(nèi)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維產(chǎn)能情況 t/a

國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的現(xiàn)狀主要有以下特點(diǎn):

a)發(fā)展迅猛，但部分投資有些盲目。2007年以前，國(guó)內(nèi)超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲生產(chǎn)企業(yè)僅3家左右，產(chǎn)能1 000 t/a左右，從2007年開始，國(guó)內(nèi)掀起高性能纖維建設(shè)熱潮，項(xiàng)目建設(shè)開始逐步增多，發(fā)展到目前近30家生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)能增加7倍左右到8 680 t/a，生產(chǎn)技術(shù)逐步成熟。但在發(fā)展過程中，有個(gè)別企業(yè)在從未涉足化纖領(lǐng)域行業(yè)的背景下，受個(gè)別科研院所和設(shè)備推廣企業(yè)的影響，盲目上馬項(xiàng)目，因產(chǎn)品質(zhì)量水平低下及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力大，已經(jīng)有3家以上企業(yè)處于長(zhǎng)期停產(chǎn)狀態(tài)，部分企業(yè)后續(xù)項(xiàng)目緩建。

b)質(zhì)量提升很快，但各家參差不齊。國(guó)產(chǎn)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維質(zhì)量在近幾年總體上有了較大的進(jìn)步，特別是在2008年以后，常規(guī)物理指標(biāo)強(qiáng)度、模量及均勻性都逐漸接近DSMSK75水平(表3)。由于國(guó)內(nèi)投資企業(yè)較為分散，背景各有不同，化纖生產(chǎn)技術(shù)實(shí)力和管理水平差異很大，相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量差異也較大，化纖生產(chǎn)技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量處于較好的水平，如中紡?fù)顿Y北京同益中、中石化儀征化纖、杭州翔盛集團(tuán)，部分產(chǎn)量較低的企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量較差，且不穩(wěn)定，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力低下。

表3 國(guó)產(chǎn)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維與DSM SK75物理指標(biāo)對(duì)比

c)企業(yè)產(chǎn)能較低，且普遍開工不足。國(guó)內(nèi)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維生產(chǎn)企業(yè)目前能做到滿負(fù)荷生產(chǎn)的企業(yè)僅3家左右，大多數(shù)企業(yè)處于低負(fù)荷狀態(tài)或間歇生產(chǎn)狀態(tài)。在近30家的生產(chǎn)企業(yè)中，產(chǎn)量達(dá)到1 000 t以上的企業(yè)僅1家，300 t以上的企業(yè)僅有6家左右，小型企業(yè)眾多造成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)混亂。國(guó)內(nèi)產(chǎn)量?jī)H次于美國(guó)，但競(jìng)爭(zhēng)力與荷蘭、日本、美國(guó)這前3個(gè)國(guó)家相比，有很大差距。從國(guó)內(nèi)2012年的產(chǎn)能和實(shí)際市場(chǎng)投放量來(lái)看，2012年實(shí)際開工率不足60%，產(chǎn)能浪費(fèi)較大。

d)纖維應(yīng)用開發(fā)水平較低，投入不足。國(guó)內(nèi)企業(yè)的整體市場(chǎng)仍集中在傳統(tǒng)的繩纜、防切割手套和防彈領(lǐng)域，大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)或者研究院所對(duì)高新纖維在新應(yīng)用上的開發(fā)能力不足，特別是小型生產(chǎn)企業(yè)根本沒有能力進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用的開發(fā)，也沒有投入。即使是在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，也仍然需要纖維生產(chǎn)企業(yè)不斷進(jìn)行專用料的細(xì)分開發(fā)，如國(guó)內(nèi)近幾年快速增長(zhǎng)的防切割手套應(yīng)用，與DSM公司的耐切割纖維相比，國(guó)內(nèi)纖維在強(qiáng)度、模量等常規(guī)物理指標(biāo)相近的情況下，產(chǎn)品防切割性能仍然有一定的差異。在防彈領(lǐng)域，盡管國(guó)內(nèi)的防彈材料已經(jīng)有較大的進(jìn)步，但是和國(guó)外DSM公司防彈材料相比，在防護(hù)能力和柔軟舒適度方面仍然有一定的差距，這也要求我們的防彈產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)和纖維防彈專用料的質(zhì)量提升要同步進(jìn)行。

2 超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲開發(fā)應(yīng)用情況

在國(guó)際市場(chǎng)上，超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲的用途主要是繩網(wǎng)和防護(hù)領(lǐng)域，占總市場(chǎng)份額的95%左右，其余為新應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域。近年來(lái)包括民用紡織品在內(nèi)的許多行業(yè)都在對(duì)該產(chǎn)品的應(yīng)用進(jìn)行研究，試圖將高性能聚乙烯纖維的優(yōu)異性能充分發(fā)揮，但目前此類研究的水平仍然處于初級(jí)階段，國(guó)內(nèi)新應(yīng)用領(lǐng)域用量更是很少。2012年由于全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，產(chǎn)品應(yīng)用形式有所變化，防護(hù)領(lǐng)域占市場(chǎng)總量比例由以前的60%上升到75%左右，繩纜領(lǐng)域占總市場(chǎng)量比例減少到20%。

中國(guó)是超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維生產(chǎn)、使用大國(guó)，但非強(qiáng)國(guó)，國(guó)內(nèi)近30家生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量?jī)H與DSM公司產(chǎn)量相當(dāng)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品大部分還是以纖維形式或者加工成品形式進(jìn)行出口，如防切割手套主要是出口訂單。在國(guó)際市場(chǎng)應(yīng)用上，歐美以防彈產(chǎn)品為主，日本、韓國(guó)等亞太地區(qū)以繩網(wǎng)和防切割手套產(chǎn)品為主。

2.1 繩纜應(yīng)用

繩纜的應(yīng)用是產(chǎn)品高強(qiáng)特性的直接體現(xiàn)，也是產(chǎn)品應(yīng)用中較為重要的用途之一。超高分子質(zhì)量聚乙烯繩纜與普通繩纜相比，質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高，Φ30 mm以上的粗繩纜主要用于船用纜繩，較細(xì)規(guī)格的繩纜主要用于電力工程牽引、體育休閑等，特別是電力工程牽引應(yīng)用方面，其高強(qiáng)、輕便、安全的特性使其近幾年以來(lái)在電力工程領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展［1］。目前國(guó)產(chǎn)纖維隨著質(zhì)量的提高，產(chǎn)品性能完全能夠達(dá)到DSM SK75的水平，但是與DSM公司的SK78和SK90相比，仍然存在較大差距，后者主要用于耐久性離岸泊留繩纜和頂級(jí)航海帆船用繩纜。表4為國(guó)產(chǎn)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維繩纜與DSM SK75繩纜破斷拉力對(duì)比的情況。

表4 國(guó)產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維繩纜與DSM SK75繩纜破斷拉力對(duì)比

DSM公司針對(duì)繩纜用纖維的要求，除了推出強(qiáng)度更好的繩用纖維系列外，還開發(fā)出了低蠕變纖維產(chǎn)品DM20，預(yù)測(cè)由其加工的繩纜經(jīng)受標(biāo)準(zhǔn)條件下25年的蠕變伸長(zhǎng)率＜0.5%，是DSM現(xiàn)有SK78產(chǎn)品的2%，并保持了SK78原有優(yōu)異性能，適合用作深水作業(yè)永久系泊繩纜。

2.2 防彈材料應(yīng)用

超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲經(jīng)過單向鋪布熱壓后，形成0/90°的片材，用于生產(chǎn)軟、硬質(zhì)防彈衣，防彈機(jī)理主要是利用纖維的斷裂功和能量擴(kuò)散來(lái)消耗子彈的能量，達(dá)到抗沖擊、防彈的目的［2］。目前國(guó)內(nèi)有6家纖維生產(chǎn)企業(yè)在直接從事防彈片材的生產(chǎn)，有5家企業(yè)購(gòu)買纖維來(lái)進(jìn)行聚乙烯防彈材料的生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)防彈材料主要用于軍隊(duì)、公安系統(tǒng)的采購(gòu)及產(chǎn)品出口的需求。近幾年來(lái)國(guó)產(chǎn)超高分子質(zhì)量聚乙烯防彈材料防彈效果有了較大的提升，但是與DSM公司相比仍然有一定差距，表5為國(guó)產(chǎn)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維UD材料與DSM公司相同產(chǎn)品的防彈效果對(duì)比。

表5 國(guó)產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維UD材料防彈效果對(duì)比

Honeywell和DSM公司投入大量人力物力對(duì)超高分子質(zhì)量聚乙烯防彈制品進(jìn)行應(yīng)用研究，研究方向一是不斷提高纖維的性能以提高防彈效果;二是用不同特性的纖維和基質(zhì)樹脂進(jìn)行種類、用量、結(jié)構(gòu)和制備工藝的組合創(chuàng)新，得到質(zhì)量輕、性能優(yōu)和成本低的防彈制品;三是對(duì)防彈制品及其組成材料進(jìn)行改性處理，得到耐環(huán)境、耐磨損等功能的防彈制品。如荷蘭DSM公司近期開發(fā)了利用超高分子質(zhì)量聚乙烯條帶“BT10”作為防彈車輛使用材料，質(zhì)量更輕、成本更低，更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，且易于加工;Honeywell公司生產(chǎn)的Spectra ShieldⅡ SA 4144與第一代材料相比，可提高防彈性能25%，并減輕質(zhì)量30%［3］;將玻纖織物、芳綸機(jī)織物和超高分子質(zhì)量聚乙烯UD布分別用作頭盔纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合熱壓材料的外層、中間層和內(nèi)層，充分發(fā)揮不同纖維織物的性能優(yōu)勢(shì)，所得到的防彈頭盔性能得以提高，成本降低，已經(jīng)應(yīng)用于美軍和亞洲士兵的防護(hù)［4－5］;改變基質(zhì)樹脂在復(fù)合材料不同位置的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布或結(jié)晶性亦可以提高防彈制品的性能;經(jīng)過硅氟化合物處理的防彈制品增強(qiáng)了對(duì)海水、槍油和磨耗的耐受性，有的還提高了防彈性能［6－7］。中國(guó)國(guó)內(nèi)防彈材料生產(chǎn)商雖然研發(fā)投入不如上述公司，但是也進(jìn)行了積極開發(fā)，如用芳綸和超高分子質(zhì)量聚乙烯復(fù)合生產(chǎn)無(wú)緯布用于頭盔等硬質(zhì)材料的生產(chǎn)，產(chǎn)品對(duì)芳綸和超高分子質(zhì)量聚乙烯的特性進(jìn)行互補(bǔ)，防彈性能得到了提高［8］。

2.3 防切割手套應(yīng)用

超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維與其它纖維如滌綸、尼龍、氨綸、玻纖等進(jìn)行包覆纏繞后，進(jìn)行手套的編織，所做手套具有防切割、耐摩擦、抗撕裂、防穿刺等特點(diǎn)，在給勞動(dòng)者提供更好防護(hù)的同時(shí)，手套的使用壽命也得到了延長(zhǎng)。隨著中國(guó)產(chǎn)纖維低成本的市場(chǎng)介入，2010年開始市場(chǎng)需求有了較大的增長(zhǎng)。2008年國(guó)內(nèi)警用防切割手套的配備也促成了一定的市場(chǎng)需求，到目前為主，手套領(lǐng)域市場(chǎng)需求仍保持較高的增長(zhǎng)。國(guó)產(chǎn)纖維的防切割性能和耐磨性能與DSM公司產(chǎn)品相比有一定的差距。DSM公司近年來(lái)也在推廣其新開發(fā)的鉆石產(chǎn)品，主要在纖維中加入了硅鋁鈣鎂氧化物的礦物質(zhì)，大幅提高了原有纖維的耐切割性能［9］，在將該纖維與聚酰胺和聚氨酯包覆后，在不使用鋼絲和玻纖的情況下，可以達(dá)到EN388的4級(jí)防切割標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)企業(yè)目前色絲技術(shù)逐漸成熟，有色超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維的出現(xiàn)使得原有的色彩單調(diào)的防切割手套顏色更加豐富，品種更加齊全。

3 存在的問題及發(fā)展建議

a)盡管國(guó)內(nèi)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維發(fā)展出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，但是纖維本身優(yōu)異的特性使得其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷發(fā)展，市場(chǎng)需求一直處于高速增長(zhǎng)狀態(tài)。針對(duì)國(guó)內(nèi)超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲企業(yè)的特點(diǎn)及分布情況，需要國(guó)家或者行業(yè)協(xié)會(huì)積極引導(dǎo)部分企業(yè)做大、做強(qiáng)，形成能代表國(guó)內(nèi)發(fā)展水平的龍頭企業(yè)，這些企業(yè)不僅要在纖維生產(chǎn)方面加大投入，在纖維應(yīng)用技術(shù)和市場(chǎng)拓展方面更要加大投入，通過自主創(chuàng)新或與高等院校、科研院所技術(shù)合作，不斷開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，并形成一整套纖維應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)體系，引導(dǎo)下游企業(yè)生產(chǎn)，帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)快速發(fā)展。

b)國(guó)內(nèi)超高分子質(zhì)量聚乙烯生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)近30家，質(zhì)量水平參差不齊，競(jìng)爭(zhēng)激烈，在此情況下，需要出現(xiàn)行業(yè)聯(lián)盟，在價(jià)格、質(zhì)量、應(yīng)用等方面共同維護(hù)，規(guī)范市場(chǎng)秩序，引導(dǎo)市場(chǎng)健康、有序發(fā)展。

c)加快產(chǎn)品出口，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)供需嚴(yán)重失衡，產(chǎn)能浪費(fèi)，在質(zhì)量提升的基礎(chǔ)上，開拓國(guó)際市場(chǎng)不僅能有效緩解國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，而且能夠提升國(guó)際社會(huì)對(duì)中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)品的認(rèn)同感，增強(qiáng)國(guó)際品牌效應(yīng)。

d)在當(dāng)前供需過剩的情況下，國(guó)內(nèi)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品利潤(rùn)空間已經(jīng)被壓縮到了虧損的邊緣，只有進(jìn)一步加快技術(shù)進(jìn)步，降低生產(chǎn)成本才能提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)無(wú)論干法還是濕法生產(chǎn)工藝，單線產(chǎn)能、漿料濃度等與國(guó)外同行企業(yè)相比，都有較大的差距，同時(shí)也說明在生產(chǎn)成本方面，還有較大的潛力可挖，因此國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該注重研發(fā)，促進(jìn)科技進(jìn)步，才能對(duì)未來(lái)萬(wàn)噸級(jí)項(xiàng)目建設(shè)和下游應(yīng)用開拓產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

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