UHMWPE：“卡”不住的戰(zhàn)略材料

劉超

超高分子量聚乙烯纖維（Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，UHMWPE）與碳纖維和芳綸纖維并稱世界“3大高科技特種纖維”，UHMWPE又被稱為“高強高模聚乙烯纖維”或“高性能聚乙烯纖維”。

目前，在全球所應(yīng)用的纖維材料中，UHMWPE的比強度和比模量最高，具有質(zhì)量最輕、化學穩(wěn)定性良好，耐彎曲性、抗疲勞性和抗切割等性能優(yōu)良。UHMWPE因在軍事防彈防爆、雷達罩、航天器返回艙降落傘繩纜等國防軍工和航空航天等重要領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，因此UHMWPE被視為重要的戰(zhàn)略材料。近些年，UHMWPE在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸擴大，如航海裝備、軌道交通、工具制造和防護用品等領(lǐng)域，因此其未來市場前景被一致看好。隨著國內(nèi)UHMWPE技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這一材料已日漸顯現(xiàn)出突破國外對我國高端產(chǎn)品封鎖的跡象，國外想“卡”也卡不住。

為更好地了解我國UHMWPE的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，本刊專訪了中國紡織科學研究院有限公司（以下簡稱“紡科院”）原副總工程師、生物源纖維制造技術(shù)國家重點實驗室主任孫玉山。

國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)品已占全球半壁江山

孫玉山向本刊記者介紹，最早由荷蘭皇家帝斯曼集團（DSM）在1979年成功開發(fā)出凝膠紡絲制備UHMWPE方法，在1990年左右實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，目前產(chǎn)能6 000t左右，其生產(chǎn)的UHMWPE產(chǎn)品性能最佳，質(zhì)量最好，是UHMWPE領(lǐng)域的“老大”；其次是日本的東洋紡織株式會社（以下簡稱“東洋紡”）產(chǎn)能3200t；第三是美國的霍尼韋爾公司，產(chǎn)能在3000t左右?！斑@3家企業(yè)的產(chǎn)品代表了目前全球UHMWPE產(chǎn)品的最高水平，但是這3家企業(yè)的產(chǎn)能總和卻沒有國內(nèi)多。為什么要先說這幾家企業(yè)，一是因為他們的產(chǎn)品整體性能和質(zhì)量確實要高于國內(nèi)多數(shù)產(chǎn)品；二是，因為在2000年以前，全球UHMWPE產(chǎn)品基本被這3家企業(yè)壟斷，2000后國內(nèi)UHMWPE實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，他們的市場壟斷地位才逐漸被打破。”

1999—2000年間，由浙江寧波大成新材料股份有限公司（以下簡稱“浙江大成”）、北京同益中新材料科技股份有限公司和湖南中泰特種裝備有限責任公司（以下簡稱“湖南中泰”）相繼在這期間實現(xiàn)UHMWPE的規(guī)?；瘮U試和產(chǎn)業(yè)化。孫玉山說：“國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)路線分干法和濕法，中國石化儀征化纖股份有限公司（以下簡稱“儀征化纖”）是國內(nèi)唯一一家利用干法生產(chǎn)UHMWPE的企業(yè)，其余企業(yè)都是濕法生產(chǎn)?！睋?jù)了解，儀征化纖的干法路線就是源于紡科院的技術(shù)成果落地項目，紡科院在1984年就已經(jīng)開始對UHMWPE進行了研究。而如浙江大成和湖南中泰等國內(nèi)其他UHMWPE生產(chǎn)企業(yè)的濕法產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，則是現(xiàn)在的東華大學前身——華東紡織工學院在1985年在國內(nèi)首創(chuàng)。

據(jù)相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2018年，全球UHMWPE產(chǎn)能約3.58萬t/a，除3家國外企業(yè)外，國內(nèi)30余家UHMWPE生產(chǎn)企業(yè)的總產(chǎn)能約2.36萬t/a，占世界總產(chǎn)能的2/3。國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)能過1000t的生產(chǎn)企業(yè)有山東愛地高分子材料有限公司、湖南中泰、九九久、上海斯瑞聚合體科技有限公司、浙江大成、儀征化纖。

從目前全球UHMWPE產(chǎn)能看，市場還遠未達到飽和程度。據(jù)悉，至2021年，全球UHMWPE需求量將突破11萬t，巨大的市場空間必然帶動企業(yè)增產(chǎn)提效和降低成本。從不同用途的UHMWPE產(chǎn)品價格來看，價格最高的是超高強度UHMWPE和醫(yī)用UHMWPE，這2類產(chǎn)品在強度、模量、纖度等指標都有較高要求，產(chǎn)品基本被DSM壟斷。尤其是DSM超高強度UHMWPE——SK99是限制出口的物品。除此之外，我國其他UHMWPE種類的纖維產(chǎn)品已基本與DSM水平接近或相當，能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足。

孫玉山說，國外UHMWPE從研究到產(chǎn)業(yè)化用了11年，我國研究時間較晚而產(chǎn)業(yè)化時間也較長，用了十四五年，但我們追趕的速度很快。一方面源于我國化纖行業(yè)發(fā)展較早，具備了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；二是，近些年，企業(yè)更加注重與高校和研究機構(gòu)的合作，隨著科研隊伍整體水平的提升，高校、科研機構(gòu)和企業(yè)儲備了許多基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，高端UHMWPE產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)突破不會太遠。他介紹，紡科院在高性能UHMWPE進行了長期的技術(shù)儲備，目前已經(jīng)與中石化南化集團有限公司（簡稱“南化”）合作，高強UHMWPE產(chǎn)業(yè)化指日可待。

全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同作戰(zhàn) 國外想“卡”不容易

孫玉山向本刊記者展示了紡科院早在2013年就已經(jīng)完成的“超高分子量聚乙烯纖維”束絲小試樣品檢測報告，這份報告是由國家紡織制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（CTTC）出具。報告顯示，該UHMWPE束絲樣品模量達2 326cN/dTex，強度達48.10cN/dTex。此次紡科院與南化合作，就是將這種UHMWPE的小試樣品實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。“我們預計，產(chǎn)業(yè)化后的UHMWPE模量要保持在至少2 000cN/dTex，強度達到40～450cN/dTex?！睂O玉山說。前文中提到的荷蘭DSM公司對我國限制出口的UHMWPE SK99，其模量是1 590cN/ dTex，強度42.50cN/dTex。那么，紡科院的更高強度UHMWPE技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，我國UHMWPE將不再需要從國外進口，DSM對我國的“禁運”將變得毫無意義?！氨緛恚@項技術(shù)在前幾年就可以進入產(chǎn)業(yè)化，但是這種超高模量超高強度的UHMWPE應(yīng)用的地方不多，當時國內(nèi)的產(chǎn)品就可以滿足各個領(lǐng)域的需求。直到DSM新產(chǎn)品SK99問世并對我國禁運，而我國對更高強度和模量的UHMWPE又有了新的需求。我們才把這項技術(shù)拿出來，推向產(chǎn)業(yè)化?！?/p>

孫玉山主任向本刊記者做了一些關(guān)于UHMWPE技術(shù)的科普。他介紹，UHMWPE的生產(chǎn)主要是凝膠紡絲，分為干法和濕法。干法工藝需要使用可揮發(fā)性的十氫萘等作為溶劑，將超高分子量聚乙烯原料溶脹后進行噴絲，再高倍拉伸得到UHMWPE，在此過程中無需再對纖維進行溶劑萃取。這種方法生產(chǎn)效率很高。而濕法工藝，需要高沸點的溶劑對原材料進行溶解、再凝固，再用低沸點溶劑進行萃取、精餾分離、干燥和高倍拉伸，生產(chǎn)流程較長，消耗的萃取劑對環(huán)境影響較大。

UHMWPE雖然具備許多優(yōu)良特性，但也存在明顯的缺點。UHMWPE在應(yīng)用過程中存在3個問題：一是不耐高溫，超過90℃，纖維性能就會受到影響；二是抗蠕變性能差，在持續(xù)受力時會發(fā)生形變而變長；三是UHMWPE表面極性相對較低，不易用其與其他材料復合。目前，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)基本解決了抗蠕變性和復合能力，但耐高溫性能仍需要進一步突破。

前不久，中國工程院院士蔣士成曾在一次會議中指出，國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)業(yè)在未來可以組建上下游協(xié)同的技術(shù)聯(lián)盟或研發(fā)中心，同時加強科研與市場的對接，才能更好地將國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品推向更高的臺階。

相信在不久的將來，國內(nèi)將會生產(chǎn)出完全不遜于國外高端產(chǎn)品的超高分子聚乙烯纖維。到那時，妄圖在產(chǎn)品上“卡住”我國應(yīng)用端的脖子將會成為歷史。