白瓊瓊

(中國紡織工程學(xué)會，北京 100025)

高性能纖維通常是指具有高強度、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纖維、無機纖維和金屬纖維[2]。有機高性能纖維，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。無機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，目前主要發(fā)展方向為纖維增強鋁基、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高模纖維、耐高溫纖維、阻燃纖維、耐強腐蝕纖維、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現(xiàn)狀，最后指出存在問題并展望了其發(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)、粘膠或瀝青等有機纖維原絲經(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，具有高比強度、高比模量(拉伸強度≥3 500 MPa，拉伸模量≥220 GPa，伸長率為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)交替連接組成的長鏈結(jié)構(gòu)。芳綸產(chǎn)品形式多樣，應(yīng)用較多，已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的芳綸產(chǎn)品有對位芳綸和間位芳綸[4-5]。

對位芳綸，即芳香族對位聚酰胺纖維，是以對苯二胺與對苯二甲酰氯為原料經(jīng)縮聚紡絲制得的合成纖維。苯環(huán)與酰胺基團的共軛效應(yīng)決定了對位芳綸高強度、高模量的優(yōu)異性能(強度≥20 cN/dtex，模量≥700 cN/dtex)[4]，其密度僅是鋼絲的1/5，但拉伸強度卻是鋼絲的5～6倍。同時對位芳綸具有優(yōu)異的耐磨性、耐切割性和防彈性能。對位芳綸各項優(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。對位芳綸的全球需求領(lǐng)域及占比主要為：安全防護和車用摩擦材料領(lǐng)域，各占約30%；保護增強光學(xué)纖維領(lǐng)域約占15%；輪胎領(lǐng)域約占10%；橡膠增強領(lǐng)域約占10%等。我國對位芳綸的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：光纖增強領(lǐng)域約占40%、安全防護領(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]。與對位芳綸相比，間位芳綸模量低、伸長率高，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%，安全防護領(lǐng)域約占29%，高溫過濾材料領(lǐng)域約占20%，電氣設(shè)備領(lǐng)域約占11%和橡膠增強領(lǐng)域約占6%等領(lǐng)域。我國間位芳綸主要應(yīng)用于相對低端的高溫過濾材料領(lǐng)域約占63%，其次是安全防護領(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，又稱高強高模聚乙烯纖維，由黏均相對分子質(zhì)量100萬以上的超高分子量聚乙烯樹脂通過溶液紡絲方法制備而成，其強度≥39 cN/dtex，模量≥1 550 cN/dtex，是目前世界上比強度和比模量最高的纖維材料，其比強度分別是高強碳纖維的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、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(強度≥3.6 cN/dtex，長絲條干不勻率≤2.0%，短纖維倍長含量≤15 mg/(100 g))。其獨特的分子結(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)的過濾材料，其單絲或復(fù)絲織物還可用作除霧材料、造紙機干燥用布、縫紉線、各種防護布、電絕緣材料、耐熱衣料、增強材料、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(強度≥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)受強酸的腐蝕；在經(jīng)一定強度電子照射后，其性能還能保持在90%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他纖維；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題，有利于實現(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)防護服裝等。

2 我國高性能纖維的市場現(xiàn)狀

2.1 碳纖維

我國是碳纖維消耗大國，近年來隨著相關(guān)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的大量投入擴張，碳纖維自給率不斷提高，但是仍然供不應(yīng)求，有很大的市場空間。據(jù)《2019全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》公布的數(shù)據(jù)顯示：2019年，全球碳纖維理論產(chǎn)能15.49萬t，需求量為11.70萬t。2019年中國碳纖維需求量達(dá)3.78 萬t，運行產(chǎn)能為2.67 萬t,而銷量大約是1.2 萬t(占總需求的31.7%)，其中，2.58 萬t靠進口(約占總需求的68.3%)，銷量/產(chǎn)能比為45%，距離國際通常的產(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壟斷的狀態(tài),2019年，日本東麗碳纖維產(chǎn)能高達(dá)5.4萬t,隨著我國碳纖維技術(shù)的發(fā)展，我國的民族企業(yè)中國藍(lán)星和中國光威產(chǎn)能可觀，其中藍(lán)星的產(chǎn)能在2019年實現(xiàn)2.68萬t，日本帝人集團和美國赫氏僅次于日本東麗排世界第二。韓國曉星以2.4萬t產(chǎn)能排第三[16]。據(jù)報道[17]，我國已攻克T-1000級碳纖維技術(shù)，成為繼德國與日本之后，第3個具備這一特殊工藝的國家。2019—2020年初，中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、吉林精功集團、蘭州藍(lán)星碳纖維和上海石化等企業(yè)宣布擴產(chǎn)計劃并且都在按計劃實施，今后幾年產(chǎn)能將逐漸釋放，緩解我國碳纖維的供需矛盾，同時意味著我國碳纖維將進入大絲束時代、低成本時代。

2.2 芳 綸

目前，全球芳綸產(chǎn)能主要集中在美國杜邦、日本帝人、中國泰和新材、韓國可隆4家公司。杜邦公司擁有芳綸產(chǎn)能合計約6.15萬t/年，占全球產(chǎn)能49.9%，且在產(chǎn)品型號、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t/年，其中對位芳綸約8萬t/年，間位芳綸約4.32萬t/年；芳綸產(chǎn)量約為12萬t，其中對位芳綸約8萬t，間位芳綸約4萬t；產(chǎn)能利用率較高，供應(yīng)緊張。中國芳綸纖維產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快，不僅成功地實現(xiàn)了間位芳綸短纖的產(chǎn)業(yè)化，而且在長絲以及對位芳綸領(lǐng)域取得了突破性進展。2018年我國芳綸纖維產(chǎn)能約1.43萬t，其中，對位芳綸產(chǎn)能0.23萬t，間位芳綸產(chǎn)能1.2萬t。2018年我國芳綸纖維行業(yè)產(chǎn)量1.069萬t，進口量約0.339萬t，出口量約0.228 9萬t，芳綸纖維行業(yè)需求量約1.179 1萬t[18]。

雖然我國芳綸行業(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)相對落后，我國間位芳綸已有過剩趨勢，低端產(chǎn)品市場競爭激烈，而對位芳綸生產(chǎn)裝置尚不成熟，僅泰和新材料公司生產(chǎn)線較穩(wěn)定，因此市場供不應(yīng)求，進口依存度超過70%，且對位芳綸工業(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)域仍大量依賴進口[19]。

2.3 超高分子量聚乙烯纖維

UHMWPE纖維的國外市場主要應(yīng)用于高端領(lǐng)域。有關(guān)文獻[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t，需求量達(dá)到約8.6萬t。預(yù)計，未來2～5年，超高分子量聚乙烯纖維的市場年需求量將在10萬t以上，仍處于供不應(yīng)求階段。我國超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化時間較晚，但是發(fā)展速度很快，已成為生產(chǎn)大國。2019年，我國超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)總產(chǎn)能約4.10萬t，占全球總產(chǎn)能的60%以上，需求量為4.15萬t。從中國超高分子量聚乙烯纖維主要應(yīng)用領(lǐng)域來看，2019年，我國軍事裝備領(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

中國對聚苯硫醚的生產(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)品與國際存在差距等問題。2018年，全球主要的聚苯硫醚生產(chǎn)企業(yè)有：比利時索爾維集團約占12.8%、美國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t以上。國內(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)蒙古磐迅和珠海長先2家新投產(chǎn)的企業(yè)，其中新和成、重慶聚獅是未來有可能跨入全球聚苯硫醚產(chǎn)能前五的國內(nèi)企業(yè)[21]。2018年中國聚苯硫醚產(chǎn)量3.49萬t，同比增長19.93%，2019年為4.19萬t，同比增長20.1%，2020年中國聚苯硫醚產(chǎn)量約5.03萬t。2018年中國聚苯硫醚需求量為15.8萬t，同比增長15%，2019年為18.2萬t，同比增長15.2%， 2020年中國聚苯硫醚需求量約為20.92萬t[22]。

2020年10月16日，中國商務(wù)部決定，從2020年10月17日起對原產(chǎn)自美、日、韓以及馬來西亞的4國的進口聚苯硫醚，實施保證金形式的反傾銷措施。這將顯著提高進口產(chǎn)品價格，使得國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品性價比提升，在國內(nèi)的市場份額有望迅速擴大，也將顯著促進我國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和日本，但目前真正實現(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Evonik的P84纖維和我國長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t/年，長春高琦產(chǎn)能約為540 t/年[23]。我國聚酰亞胺纖維年產(chǎn)能約為0.3萬t，濕法和干法2種生產(chǎn)工藝均實現(xiàn)千噸級產(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)新團隊研制成功全球首條年產(chǎn)30 t規(guī)模高強高模聚酰亞胺纖維生產(chǎn)線后，2018年又建成百噸級生產(chǎn)線，2019、2020年幾條年產(chǎn)百噸甚至千噸級生產(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尚未完全打開，目前我國聚酰亞胺纖維的整體市場容量有限。

3 結(jié)束語

我國高性能纖維總體發(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)化的初級階段，整體技術(shù)水平的差距較大。近年來雖然在一些高性能產(chǎn)品上有所突破：T-1000級碳纖維技術(shù)被攻克；間位芳綸產(chǎn)品技術(shù)已達(dá)到國際先進水平，競爭力有所提高；超高分子量聚乙烯纖維雖然產(chǎn)業(yè)化時間晚，但是發(fā)展速度很快，也成為生產(chǎn)大國，現(xiàn)已呈現(xiàn)貿(mào)易順差，出口遠(yuǎn)大于進口；聚苯硫醚生產(chǎn)正處于快速增長期，研發(fā)力度大，已形成一定規(guī)模的生產(chǎn)能力，打破了完全依賴進口的狀況。但是，由于巨大的市場需求，我國高性能纖維產(chǎn)量還是嚴(yán)重不足，需要進口；同時高性能纖維產(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。