高性能纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

高性能纖維是指那些具有特殊結(jié)構(gòu)與性能，表現(xiàn)出極高的抗拉伸力、楊氏模量、以及高抗熱、耐酸、堿、氧化劑腐蝕的化學(xué)纖維?；谶@些性質(zhì)，高性能纖維被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、工程、建筑、土工織物、航空航天、防護(hù)服和電子等領(lǐng)域。

目前，世界高性能纖維領(lǐng)域已經(jīng)形成了美、日、歐盟、中、俄五極格局。高性能纖維的發(fā)展對國民經(jīng)濟(jì)以及科技進(jìn)步都有著積極意義。本文以碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維這3種主要高性能纖維為例，介紹高性能纖維的主要性質(zhì)與市場情況?？萍嫉膭?chuàng)新和技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)著高性能纖維不斷發(fā)展，高性能纖維將會以更優(yōu)異的性能服務(wù)于社會。

一、高性能纖維分類

高性能纖維包含有機(jī)高性能纖維和無機(jī)高性能纖維；有機(jī)高性能纖維分為柔性鏈結(jié)構(gòu)和剛性鏈結(jié)構(gòu)2類[1]。高性能纖維的分類詳見圖1。

世界高性能纖維產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展期，需求增長率在10%以上。無機(jī)高性能纖維向超高性能-高附加值和低性能-低成本的方向發(fā)展。有機(jī)高性能纖維向多品種、系列化和高效、規(guī)?；a(chǎn)發(fā)展。復(fù)合材料的成型工藝向節(jié)能、高效和低成本的方向改進(jìn)，高效固化劑功不可沒。增強(qiáng)纖維和樹脂品種的擴(kuò)大、表面處理劑的完善、織造技術(shù)和織物種類的多樣化，使復(fù)合材料進(jìn)入“量體裁衣”的時(shí)代。

二、主要高性能纖維概述

1.碳纖維

碳纖維指利用聚丙烯腈（PAN）纖維、粘膠纖維、瀝青等為原料，經(jīng)過預(yù)氧化、碳化及石墨化等工藝加工制備的具有90%以上碳含量的纖維。

（1）碳纖維分類

碳纖維按數(shù)量、制造原料、力學(xué)性能和狀態(tài)可分為若干種，具體見圖2。

（2）碳纖維性質(zhì)[2]

碳纖維具有如下性質(zhì)特點(diǎn)：高強(qiáng)、高模、低密度；耐高溫（3 000℃），熱膨脹系數(shù)約為0，高熱導(dǎo)率〔10～140W/（m·K）〕；耐各種強(qiáng)酸、堿和有機(jī)溶劑腐蝕；摩擦系數(shù)非常??；具潤滑性，可降低復(fù)合材料磨損率；導(dǎo)電性好。表1所示為以各種原材料制備出的碳纖維的主要物理性質(zhì)。

（3）碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

①建筑

民用工業(yè)中的建筑，如橋梁、房屋、隧道等相關(guān)的混凝土工程是碳纖維使用量增長最快的市場領(lǐng)域之一。碳纖維主要應(yīng)用于承重材料、加固材料（壓板等）、筋條材料（替代部分鋼筋）等方面。

②航空航天

用于制造飛機(jī)（民用、軍用）、火箭、宇宙飛船等制造材料、零配件等。例如，在波音787中結(jié)構(gòu)材料中加入了碳纖維復(fù)合材料以及玻璃纖維塑料，在保持機(jī)身強(qiáng)度的同時(shí)可大大減少機(jī)身質(zhì)量，提高燃油效率。

③汽車構(gòu)件

在汽車鋼材中加入碳纖維材料，可減輕40%以上車身質(zhì)量，因而有效提高車速。不僅如此，還能減少30%尾氣排放量。目前主要在豪華車型應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。但隨著大絲束碳纖維價(jià)格的不斷下降，預(yù)計(jì)碳纖維的應(yīng)用在中端車型也將獲得推廣。這對環(huán)保事業(yè)具有重大意義。

④碳纖維的市場情況

目前全球碳纖維工業(yè)化產(chǎn)品以 PAN基碳纖維為代表，其力學(xué)性能最高，應(yīng)用領(lǐng)域最廣。PAN基碳纖維占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。2014年全球PAN基碳纖維產(chǎn)能約為12.8萬t，其中小絲束碳纖維約為9.2萬t，占72%；大絲束碳纖維約3.6萬t，占28%。根據(jù)相關(guān)預(yù)測，到2020年，全球小絲束碳纖維產(chǎn)能將達(dá)到11.5萬t，大絲束產(chǎn)能達(dá)到5.4萬t，合計(jì)達(dá)到16.9萬t，復(fù)合增速達(dá)到7%。2008-2014年全球PAN基碳纖維產(chǎn)能如圖3所示。

目前全球碳纖維制造主要來自是日本和在歐美的工廠，其次是依靠歐美航空航天市場健康發(fā)展的美國HEXCEL和CYTEC公司，以及依靠強(qiáng)大工業(yè)創(chuàng)新體系的德國SGL公司，隨著中國在碳纖維領(lǐng)域投入的不斷增大，中國碳纖維產(chǎn)量占世界份額也不斷提高。2014年碳纖維各國生產(chǎn)份額如圖4所示。

2.芳香族聚酰胺纖維

（1）芳綸概述

芳香族聚酰胺（PPTA）纖維通常稱為芳綸，是由苯二胺和苯二甲酰氯合成的一類芳香族聚酰胺纖維，全稱“聚對苯二甲酰對苯二胺”。芳綸主要包括間位芳綸（芳綸1313）和對位芳綸（芳綸1414），間位芳綸耐高溫，絕緣性好，不燃燒，在高溫過濾、高溫防護(hù)服以及絕緣介質(zhì)方面獲得廣泛應(yīng)用。對位芳綸強(qiáng)度大、模量高，主要應(yīng)用于輪胎橡膠、個(gè)體防護(hù)、防彈裝甲、繩纜、摩擦材料等方向。對位芳綸在芳綸的歷史進(jìn)展中具有最快速的發(fā)展，目前主要生產(chǎn)國是日本和美國。代表產(chǎn)品如Kevlar（杜邦公司）和Twaron（Akzo-noble公司）。

（2）芳綸的性質(zhì)

力學(xué)性質(zhì)：PPTA纖維強(qiáng)度高，模量大，耐沖擊。其拉伸強(qiáng)度達(dá)到3.0G～5.5GPa，略高于碳纖維，是玻璃纖維拉伸強(qiáng)度的1.5倍；密度小，在相同直徑下，PPTA纖維是鋼絲強(qiáng)度的6～7倍，密度卻只有鋼絲的1/5；PPTA纖維模量能達(dá)到80G～160GPa，為碳纖維的4/5，是玻璃纖維的2倍。

熱學(xué)性質(zhì)：PPTA纖維極限氧指數(shù)大于28，表現(xiàn)出非常好的耐熱性及阻燃性。PPTA纖維在高溫下會分解，但不變形。熱膨脹系數(shù)極小。

化學(xué)性質(zhì)：P P T A纖維化學(xué)穩(wěn)定高，能耐受除強(qiáng)酸、強(qiáng)堿外的多種酸、堿以及有機(jī)溶劑腐蝕；其耐水性較差，由于分子中有酰胺基基團(tuán)，水分子容易破壞纖維氫鍵，降低纖維強(qiáng)度；P P T A纖維對紫外線較敏感，陽光下久照將大大降低其強(qiáng)度[3]。

（3）芳綸應(yīng)用領(lǐng)域[3]

由于PPTA纖維以上各種優(yōu)秀性質(zhì)，其在建筑材料、航空航天、防彈材料、橡膠增強(qiáng)材料等方面獲得了廣泛應(yīng)用，如表2所示。

（4）芳綸市場狀況

芳綸的生產(chǎn)具有較高技術(shù)壁壘，全球掌握芳綸技術(shù)的企業(yè)僅在10家左右，其中美國杜邦是全球最大的芳綸企業(yè)。2012年，全球間位芳綸產(chǎn)能約為3.97萬t，其中杜邦產(chǎn)能約2.5萬t，占間位芳綸總產(chǎn)能的63%，泰和新材總產(chǎn)能0.8萬t，約占全球總產(chǎn)能的20%左右；2012年，全球?qū)ξ环季]總產(chǎn)能為7.83萬t，美國杜邦、日本帝人分別占對位芳綸總產(chǎn)能的54%、35%。全球主要芳綸生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能如表3所示。

3.超高分子量聚乙烯纖維

（1）發(fā)展歷史

1975年，荷蘭DSM公司開發(fā)出了超高相對分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，該纖維具有優(yōu)異的抗張性能。并且其采用的凝膠紡絲-超拉伸技術(shù)打破了當(dāng)時(shí)只能由剛性高分子制造高強(qiáng)、高模纖維的局面。一舉促成世界范圍內(nèi)化學(xué)纖維的全新飛躍。UHMWPE物理機(jī)械性能非常優(yōu)異，使之成為繼碳纖維和芳綸之后的第3代高性能纖維。UHMWPE的強(qiáng)度是目前工業(yè)化纖維中最高的。

（2）UHMWPE的性質(zhì)

①耐疲勞

與錦綸、滌綸一般繩索材料相比，UHMWPE纖維強(qiáng)度高、張力大、耐彎曲疲勞；不僅如此，在具有高模量的同時(shí)，UHMWPE纖維還有著良好的柔韌性和高耐撓曲疲勞性，優(yōu)于碳纖維和玻璃纖維材料。其耐磨損性更遠(yuǎn)優(yōu)于芳香族聚酰胺和碳纖維。

②耐沖擊

UHMWPE纖維復(fù)合材料抗沖擊能力高于玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維，比沖擊總吸收能量分別是三者的1.8、2.6和3倍。UHMWPE纖維復(fù)合材料因此是制作防護(hù)設(shè)備，如防彈衣、頭盔等的理想材料。

③耐化學(xué)腐蝕

UHMWPE纖維結(jié)構(gòu)單一，取向性高，能夠扛絕大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的腐蝕。化學(xué)穩(wěn)定性高于PPTA纖維。只有非常有限的有機(jī)溶膠能使UHMWPE纖維發(fā)生輕度溶脹。

④耐光照、耐輻射和耐氣候

UHMWPE纖維在所有高性能纖維中的耐日曬性是最高的。1 500h的日光照后，而其他纖維強(qiáng)度均下降了50%，而UHMWPE纖維仍保持在60%以上。不僅如此，UHMWPE纖維還耐受諸如電子射線和γ射線等高能輻射照射。其在經(jīng)受劑量為3MJ/kg的輻射照射后其強(qiáng)度能仍然在可以使用的范圍內(nèi)。

（3）UHMWPE的應(yīng)用

UHMWPE纖維根據(jù)其以上優(yōu)秀性質(zhì)，其主要應(yīng)用于繩索、網(wǎng)類、防護(hù)裝備、體育用品等方面。UHMWPE纖維的具體應(yīng)用詳見表4所示。

（4）UHMWPE的市場情況

目前國際市場UHMWPE纖維產(chǎn)品已經(jīng)被荷蘭DSM、美國Honeywell及日本三井化學(xué)所3家企業(yè)壟斷，總產(chǎn)能約1.78萬t/a。其中，DSM是世界上產(chǎn)量最高，質(zhì)量最好的制造商，其UHMWPE產(chǎn)品約占國際市場的80%。表5給出了3家公司的產(chǎn)能情況。

國內(nèi)市場主要有8家企業(yè)生產(chǎn)UHMWPE纖維，總產(chǎn)能約9 000t/a。表6所示為國內(nèi)主要UHMWPE生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)能。

三、結(jié)語

高性能纖維在“十一五”和“十二五”期間獲得了我國的高度重視，明顯加大了對高性能纖維發(fā)展的推動(dòng)力，顯著加強(qiáng)對高性能纖維行業(yè)的協(xié)調(diào)管理。各個(gè)企業(yè)真正成為了技術(shù)創(chuàng)新的主體。我國高性能纖維呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭，國產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了重大突破。到2020年，我國有望實(shí)現(xiàn)高性能纖維及其復(fù)合材料基本品種的自給，6大類特種纖維即耐強(qiáng)腐蝕性纖維、耐高溫纖維、抗燃纖維、高強(qiáng)高模纖維、功能纖維和智能纖維的主要品種將基本配齊，為在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)世界高科技纖維王國的中國夢打下基礎(chǔ)。

高性能纖維在科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步下正取得日新月異的發(fā)展。人們在不斷改善高性能纖維不足的同時(shí)，還以此為基礎(chǔ)制備出性能更好的新型纖維材料。高性能纖維的應(yīng)用領(lǐng)域也隨著自身制造成本的降低而不斷擴(kuò)展。相信高性能纖維在不久將會以更優(yōu)異的性能服務(wù)于社會。

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