高性能纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

白瓊瓊

(中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)，北京 100025)

高性能纖維通常是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、阻燃等優(yōu)良特性[1]的纖維材料，其品種繁多，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、建筑、土工織物、航空航天和電子等領(lǐng)域。按材料屬性，高性能纖維可分為有機(jī)纖維、無(wú)機(jī)纖維和金屬纖維[2]。有機(jī)高性能纖維，一類是由于柔性分子鏈高度取向、結(jié)晶具備優(yōu)異的力學(xué)性能，另一類是分子中含有大量芳環(huán)或芳雜環(huán)的剛性鏈分子賦予纖維優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性、耐腐蝕性，主要包括：芳香族聚酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維等。無(wú)機(jī)高性能纖維主要包括：碳纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、硼纖維等[3]。金屬纖維占比較小，具有材料輕量化、智能化、高性能化和多功能化等特點(diǎn)，目前主要發(fā)展方向?yàn)槔w維增強(qiáng)鋁基、鈦基、鎂基復(fù)合材料和金屬層狀復(fù)合材料。高性能纖維按性能可劃分為高強(qiáng)高模纖維、耐高溫纖維、阻燃纖維、耐強(qiáng)腐蝕纖維、特種功能纖維等[1]。

本文著重從碳纖維、芳綸(PPTA)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、聚苯硫醚(PPS)纖維等常用高性能纖維入手，主要綜述這幾類高性能纖維的性能特征和應(yīng)用領(lǐng)域，闡述高性能纖維市場(chǎng)現(xiàn)狀，最后指出存在問(wèn)題并展望了其發(fā)展前景等。

1 主要高性能纖維的性能和應(yīng)用

1.1 碳纖維

碳纖維是由聚丙烯腈(PAN)、粘膠或?yàn)r青等有機(jī)纖維原絲經(jīng)預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化、石墨化等一系列物理化學(xué)變化得到的含碳量大于93%的纖維材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量(拉伸強(qiáng)度≥3 500 MPa，拉伸模量≥220 GPa，伸長(zhǎng)率為1.5%～2.0%)，優(yōu)良的耐高溫、抗蠕變、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐腐蝕等特性，密度僅為鋼的1/4，而比強(qiáng)度為鋼的10倍。碳纖維主要用于碳芯電纜、建筑加固和航空航天等領(lǐng)域。

1.2 芳 綸

芳綸(PPTA)，全名為芳香族聚酰胺纖維，由芳香族聚酰胺樹脂經(jīng)紡絲制得，其大分子主鏈?zhǔn)怯甚０锋I和芳香環(huán)交替連接組成的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)。芳綸產(chǎn)品形式多樣，應(yīng)用較多，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的芳綸產(chǎn)品有對(duì)位芳綸和間位芳綸[4-5]。

對(duì)位芳綸，即芳香族對(duì)位聚酰胺纖維，是以對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酰氯為原料經(jīng)縮聚紡絲制得的合成纖維。苯環(huán)與酰胺基團(tuán)的共軛效應(yīng)決定了對(duì)位芳綸高強(qiáng)度、高模量的優(yōu)異性能(強(qiáng)度≥20 cN/dtex，模量≥700 cN/dtex)[4]，其密度僅是鋼絲的1/5，但拉伸強(qiáng)度卻是鋼絲的5～6倍。同時(shí)對(duì)位芳綸具有優(yōu)異的耐磨性、耐切割性和防彈性能。對(duì)位芳綸各項(xiàng)優(yōu)異性能使其主要應(yīng)用于防彈、光纜、繩纜、體育用品、汽車等領(lǐng)域。對(duì)位芳綸的全球需求領(lǐng)域及占比主要為：安全防護(hù)和車用摩擦材料領(lǐng)域，各占約30%；保護(hù)增強(qiáng)光學(xué)纖維領(lǐng)域約占15%；輪胎領(lǐng)域約占10%；橡膠增強(qiáng)領(lǐng)域約占10%等。我國(guó)對(duì)位芳綸的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：光纖增強(qiáng)領(lǐng)域約占40%、安全防護(hù)領(lǐng)域約占30%，汽車膠管約占10%、繩索約占10%[4]。

間位芳綸，即芳香族間位聚酰胺纖維，是以間苯二胺與間苯二甲酰氯為原料經(jīng)縮聚紡絲制得的合成纖維[6]。與對(duì)位芳綸相比，間位芳綸模量低、伸長(zhǎng)率高，織物手感和舒適性更好。鑒于其優(yōu)異的阻燃、耐高溫、絕緣和化學(xué)穩(wěn)定性等，間位芳綸被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、消防服、作訓(xùn)服、耐熱工裝、大氣環(huán)保、工業(yè)耐溫材料、汽車膠管、高級(jí)音響彈波、電氣絕緣等領(lǐng)域。間位芳綸的全球需求領(lǐng)域及占比主要為：電氣絕緣紙領(lǐng)域約占34%，安全防護(hù)領(lǐng)域約占29%，高溫過(guò)濾材料領(lǐng)域約占20%，電氣設(shè)備領(lǐng)域約占11%和橡膠增強(qiáng)領(lǐng)域約占6%等領(lǐng)域。我國(guó)間位芳綸主要應(yīng)用于相對(duì)低端的高溫過(guò)濾材料領(lǐng)域約占63%，其次是安全防護(hù)領(lǐng)域約占26%，絕緣紙領(lǐng)域約占5%[4]。

1.3 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維，又稱高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，由黏均相對(duì)分子質(zhì)量100萬(wàn)以上的超高分子量聚乙烯樹脂通過(guò)溶液紡絲方法制備而成，其強(qiáng)度≥39 cN/dtex，模量≥1 550 cN/dtex，是目前世界上比強(qiáng)度和比模量最高的纖維材料，其比強(qiáng)度分別是高強(qiáng)碳纖維的2倍和鋼材的14倍[7-9]。另外，超高分子量聚乙烯纖維還具有很強(qiáng)的抗酸、堿和一般的化學(xué)試劑腐蝕能力，優(yōu)異的耐熱、耐光老化等環(huán)境穩(wěn)定性能，以及塑料中最高的耐沖擊強(qiáng)度。

基于其眾多的優(yōu)異性能，超高分子量聚乙烯纖維主要被應(yīng)用于防彈裝甲與防彈衣、航空母艦、新型戰(zhàn)機(jī)、電纜罩、輕質(zhì)應(yīng)急路面、跨海大橋、防切割和導(dǎo)熱性紡織品等領(lǐng)域。

1.4 聚苯硫醚纖維

聚苯硫醚(PPS)纖維是指分子主鏈結(jié)構(gòu)為苯基與硫基交替連接的一類熱塑性聚合物經(jīng)熔融紡絲制得的纖維材料(強(qiáng)度≥3.6 cN/dtex，長(zhǎng)絲條干不勻率≤2.0%，短纖維倍長(zhǎng)含量≤15 mg/(100 g))。其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)使聚苯硫醚材料具有很多優(yōu)異性能，如聚苯硫醚纖維材料的剛性較高，純聚苯硫醚纖維的彎曲模量為3.8 GPa，增強(qiáng)改性后可達(dá)到12.6 GPa。其耐熱性能優(yōu)異，短期耐熱可以達(dá)到260 ℃，且能在200～240 ℃下長(zhǎng)期使用。聚苯硫醚纖維的介電常數(shù)及介電損耗角正切值均較低，并且在較大的頻率和溫度范圍內(nèi)變化較小。另外，其還具有吸水率較低、阻燃性較好、耐化學(xué)腐蝕性較好等特性[10-11]。

聚苯硫醚纖維主要用作熱空氣或腐蝕性介質(zhì)的過(guò)濾材料，其單絲或復(fù)絲織物還可用作除霧材料、造紙機(jī)干燥用布、縫紉線、各種防護(hù)布、電絕緣材料、耐熱衣料、增強(qiáng)材料、電池隔膜等材料。

1.5 聚酰亞胺纖維

聚酰亞胺(PI)纖維是指分子主鏈中含有酰亞胺環(huán)結(jié)構(gòu)的一類聚合物經(jīng)溶液紡絲而制得的纖維，其分子鏈的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)與碳氧雙鍵產(chǎn)生共軛效應(yīng)，使主鏈分子間鍵能變大，表現(xiàn)出高強(qiáng)(強(qiáng)度≥5.0 cN/dtex)、高模(模量為40～80 cN/dtex)的特性，尤其在模量方面更為突出。聚酰亞胺纖維還具有低介電、耐高低溫、耐輻射、阻燃和吸水率低等性能。除此之外，聚酰亞胺纖維還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠經(jīng)受強(qiáng)酸的腐蝕；在經(jīng)一定強(qiáng)度電子照射后，其性能還能保持在90%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他纖維；聚酰亞胺纖維的極限氧指數(shù)在35%～75%之間，其發(fā)煙率比較低，屬于自熄性材料[12-14]。需要指出的是，聚酰亞胺纖維是一大類材料的總稱，聚合物結(jié)構(gòu)非常豐富，對(duì)應(yīng)于性能和功能不同的纖維品種，具有更大的應(yīng)用范圍。這些品種在聚合物制備、纖維成形等方面有很多共性問(wèn)題，有利于實(shí)現(xiàn)多品種的開發(fā)。

聚酰亞胺纖維主要應(yīng)用于高溫袋式除塵器、高溫輥筒、耐高溫布料、森林防火服、消防服等專業(yè)防護(hù)服裝等。

2 我國(guó)高性能纖維的市場(chǎng)現(xiàn)狀

2.1 碳纖維

我國(guó)是碳纖維消耗大國(guó)，近年來(lái)隨著相關(guān)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的大量投入擴(kuò)張，碳纖維自給率不斷提高，但是仍然供不應(yīng)求，有很大的市場(chǎng)空間。據(jù)《2019全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》公布的數(shù)據(jù)顯示：2019年，全球碳纖維理論產(chǎn)能15.49萬(wàn)t，需求量為11.70萬(wàn)t。2019年中國(guó)碳纖維需求量達(dá)3.78 萬(wàn)t，運(yùn)行產(chǎn)能為2.67 萬(wàn)t,而銷量大約是1.2 萬(wàn)t(占總需求的31.7%)，其中，2.58 萬(wàn)t靠進(jìn)口(約占總需求的68.3%)，銷量/產(chǎn)能比為45%，距離國(guó)際通常的產(chǎn)能比在65%～85%還有些差距[15]。目前全球高端碳纖維產(chǎn)能處于被日本和美國(guó)壟斷的狀態(tài),2019年，日本東麗碳纖維產(chǎn)能高達(dá)5.4萬(wàn)t,隨著我國(guó)碳纖維技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的民族企業(yè)中國(guó)藍(lán)星和中國(guó)光威產(chǎn)能可觀，其中藍(lán)星的產(chǎn)能在2019年實(shí)現(xiàn)2.68萬(wàn)t，日本帝人集團(tuán)和美國(guó)赫氏僅次于日本東麗排世界第二。韓國(guó)曉星以2.4萬(wàn)t產(chǎn)能排第三[16]。據(jù)報(bào)道[17]，我國(guó)已攻克T-1000級(jí)碳纖維技術(shù)，成為繼德國(guó)與日本之后，第3個(gè)具備這一特殊工藝的國(guó)家。2019—2020年初，中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、吉林精功集團(tuán)、蘭州藍(lán)星碳纖維和上海石化等企業(yè)宣布擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃并且都在按計(jì)劃實(shí)施，今后幾年產(chǎn)能將逐漸釋放，緩解我國(guó)碳纖維的供需矛盾，同時(shí)意味著我國(guó)碳纖維將進(jìn)入大絲束時(shí)代、低成本時(shí)代。

2.2 芳 綸

目前，全球芳綸產(chǎn)能主要集中在美國(guó)杜邦、日本帝人、中國(guó)泰和新材、韓國(guó)可隆4家公司。杜邦公司擁有芳綸產(chǎn)能合計(jì)約6.15萬(wàn)t/年，占全球產(chǎn)能49.9%，且在產(chǎn)品型號(hào)、性能、應(yīng)用范圍等方面處于領(lǐng)先地位。2018年全球芳綸產(chǎn)能約12.32萬(wàn)t/年，其中對(duì)位芳綸約8萬(wàn)t/年，間位芳綸約4.32萬(wàn)t/年；芳綸產(chǎn)量約為12萬(wàn)t，其中對(duì)位芳綸約8萬(wàn)t，間位芳綸約4萬(wàn)t；產(chǎn)能利用率較高，供應(yīng)緊張。中國(guó)芳綸纖維產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快，不僅成功地實(shí)現(xiàn)了間位芳綸短纖的產(chǎn)業(yè)化，而且在長(zhǎng)絲以及對(duì)位芳綸領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。2018年我國(guó)芳綸纖維產(chǎn)能約1.43萬(wàn)t，其中，對(duì)位芳綸產(chǎn)能0.23萬(wàn)t，間位芳綸產(chǎn)能1.2萬(wàn)t。2018年我國(guó)芳綸纖維行業(yè)產(chǎn)量1.069萬(wàn)t，進(jìn)口量約0.339萬(wàn)t，出口量約0.228 9萬(wàn)t，芳綸纖維行業(yè)需求量約1.179 1萬(wàn)t[18]。

雖然我國(guó)芳綸行業(yè)取得了很大的發(fā)展，但由于行業(yè)發(fā)展較晚且生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后，我國(guó)間位芳綸已有過(guò)剩趨勢(shì)，低端產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，而對(duì)位芳綸生產(chǎn)裝置尚不成熟，僅泰和新材料公司生產(chǎn)線較穩(wěn)定，因此市場(chǎng)供不應(yīng)求，進(jìn)口依存度超過(guò)70%，且對(duì)位芳綸工業(yè)化技術(shù)仍有短板，產(chǎn)品與美日差距較大，高端應(yīng)用領(lǐng)域仍大量依賴進(jìn)口[19]。

2.3 超高分子量聚乙烯纖維

UHMWPE纖維的國(guó)外市場(chǎng)主要應(yīng)用于高端領(lǐng)域。有關(guān)文獻(xiàn)[20]顯示：2019年全球超高分子量聚乙烯纖維的產(chǎn)能達(dá)到6.46萬(wàn)t，需求量達(dá)到約8.6萬(wàn)t。預(yù)計(jì)，未來(lái)2～5年，超高分子量聚乙烯纖維的市場(chǎng)年需求量將在10萬(wàn)t以上，仍處于供不應(yīng)求階段。我國(guó)超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化時(shí)間較晚，但是發(fā)展速度很快，已成為生產(chǎn)大國(guó)。2019年，我國(guó)超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)總產(chǎn)能約4.10萬(wàn)t，占全球總產(chǎn)能的60%以上，需求量為4.15萬(wàn)t。從中國(guó)超高分子量聚乙烯纖維主要應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，2019年，我國(guó)軍事裝備領(lǐng)域應(yīng)用的超高分子量聚乙烯纖維占比約為25.78%，海洋產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的超高分子量聚乙烯纖維占比約為24.82%，安全防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的超高分子量聚乙烯纖維占比約為19.52%。

2.4 聚苯硫醚纖維

中國(guó)對(duì)聚苯硫醚的生產(chǎn)技術(shù)已有一定積累，但是還是存在生產(chǎn)技術(shù)水平較低、產(chǎn)品品類較少、高端產(chǎn)品與國(guó)際存在差距等問(wèn)題。2018年，全球主要的聚苯硫醚生產(chǎn)企業(yè)有：比利時(shí)索爾維集團(tuán)約占12.8%、美國(guó)Fortron公司約占9.6%、日本東麗公司約占17.6%、日本DIC公司約占21.7%、日本吳羽化學(xué)公司約占6.8%、浙江新和成股份有限公司約占9.6%等，年產(chǎn)能均高達(dá)15萬(wàn)t以上。國(guó)內(nèi)具備穩(wěn)定生產(chǎn)能力的只有浙江新和成、重慶聚獅約占全球份額的6.4%，以及內(nèi)蒙古磐迅和珠海長(zhǎng)先2家新投產(chǎn)的企業(yè)，其中新和成、重慶聚獅是未來(lái)有可能跨入全球聚苯硫醚產(chǎn)能前五的國(guó)內(nèi)企業(yè)[21]。2018年中國(guó)聚苯硫醚產(chǎn)量3.49萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)19.93%，2019年為4.19萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)20.1%，2020年中國(guó)聚苯硫醚產(chǎn)量約5.03萬(wàn)t。2018年中國(guó)聚苯硫醚需求量為15.8萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)15%，2019年為18.2萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)15.2%， 2020年中國(guó)聚苯硫醚需求量約為20.92萬(wàn)t[22]。

2020年10月16日，中國(guó)商務(wù)部決定，從2020年10月17日起對(duì)原產(chǎn)自美、日、韓以及馬來(lái)西亞的4國(guó)的進(jìn)口聚苯硫醚，實(shí)施保證金形式的反傾銷措施。這將顯著提高進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格，使得國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品性價(jià)比提升，在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)份額有望迅速擴(kuò)大，也將顯著促進(jìn)我國(guó)聚苯硫醚純樹脂的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.5 聚酰亞胺纖維

最早開發(fā)聚酰亞胺纖維的是美國(guó)和日本，但目前真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并銷售的耐高溫聚酰亞胺纖維只有德國(guó)Evonik的P84纖維和我國(guó)長(zhǎng)春高琦聚酰亞胺材料有限公司的軼綸纖維，其中Evonik的產(chǎn)能為約為0.14萬(wàn)t/年，長(zhǎng)春高琦產(chǎn)能約為540 t/年[23]。我國(guó)聚酰亞胺纖維年產(chǎn)能約為0.3萬(wàn)t，濕法和干法2種生產(chǎn)工藝均實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。此外，繼2017年由北京化工大學(xué)、江蘇先諾新材料科技有限公司的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制成功全球首條年產(chǎn)30 t規(guī)模高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維生產(chǎn)線后，2018年又建成百噸級(jí)生產(chǎn)線，2019、2020年幾條年產(chǎn)百噸甚至千噸級(jí)生產(chǎn)線投產(chǎn)[24]。但由于在環(huán)保材料、阻燃材料等領(lǐng)域，聚酰亞胺纖維的需求市場(chǎng)尚未完全打開，目前我國(guó)聚酰亞胺纖維的整體市場(chǎng)容量有限。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)高性能纖維總體發(fā)展緩慢，基礎(chǔ)研發(fā)投入力度不夠，多數(shù)品種未形成規(guī)?；纳a(chǎn)能力，仍處于產(chǎn)業(yè)化的初級(jí)階段，整體技術(shù)水平的差距較大。近年來(lái)雖然在一些高性能產(chǎn)品上有所突破：T-1000級(jí)碳纖維技術(shù)被攻克；間位芳綸產(chǎn)品技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，競(jìng)爭(zhēng)力有所提高；超高分子量聚乙烯纖維雖然產(chǎn)業(yè)化時(shí)間晚，但是發(fā)展速度很快，也成為生產(chǎn)大國(guó)，現(xiàn)已呈現(xiàn)貿(mào)易順差，出口遠(yuǎn)大于進(jìn)口；聚苯硫醚生產(chǎn)正處于快速增長(zhǎng)期，研發(fā)力度大，已形成一定規(guī)模的生產(chǎn)能力，打破了完全依賴進(jìn)口的狀況。但是，由于巨大的市場(chǎng)需求，我國(guó)高性能纖維產(chǎn)量還是嚴(yán)重不足，需要進(jìn)口；同時(shí)高性能纖維產(chǎn)品在生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、副產(chǎn)物回收再利用、低成本方面與世界先進(jìn)水平還有一定差距，還需要加大研發(fā)投入，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低成本。