國內外高性能纖維的開發(fā)和應用

趙永霞

世界高性能纖維正進入蓬勃發(fā)展的新階段，其生產國已由原來的少數幾個發(fā)達國家發(fā)展到了10多個國家和地區(qū)。隨著各品種纖維的性能和規(guī)格的不斷完善和系列化，以及新品種的不斷出現，高性能纖維的發(fā)展邁入了“量體裁衣”的時代。

在世界經濟普遍下滑的新形勢下，中國經濟將成為世界經濟發(fā)展的重要牽引力。而對于我國的高性能纖維產業(yè)來說，一方面應在“解決應急需求”的基礎上提高工藝、完善設備、提高產品質量和制定標準、降低成本，然后實現一定規(guī)模的產業(yè)化，另一方面應加快拓展海內外市場。

高性能纖維的發(fā)展邁入“量體裁衣”的時代

高性能纖維是指對來自外部的力、熱、光、電等物理作用和酸、堿、氧化劑等化學作用具有特殊耐受能力的一種材料，包括：高強度、高模量、耐高溫、阻燃、抗γ紫外線、抗電子束輻射、抗射線輻射、耐酸、耐堿、耐腐蝕等的纖維。這類纖維具有比普通纖維更高的機械強度和彈性模量，更好的熱穩(wěn)定性、耐酸耐堿性及耐候性，國外又稱作超級纖維，我國過去常稱之為特種纖維。

高性能纖維實際上是一種技術密集、投資巨大的工業(yè)產品，性能突出，生產工藝復雜，用途比較專一，產量較低，因此價格往往是普通紡織纖維的幾倍或幾十倍，甚至上百倍。常規(guī)紡織纖維如PA6和PET等的聚合、紡絲成形等工藝技術已經成熟，而高強高模或耐熱、耐化學試劑纖維的生產工藝過程則要復雜得多。然而，這類特種纖維的用途主要集中在高科技領域。使用高性能纖維的首要目的在于提高和強化制品或裝置的性能，高性能纖維可用于防彈服、消防服等特種織物的加工及纖維復合材料中的加固材料，其發(fā)展涉及多個領域。

按照合成的原料不同，高性能纖維主要分為芳綸（包括對位芳綸p－AF與間位芳綸m－AF兩種）、碳纖維（CF）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維、聚苯硫醚（PPS）纖維、聚苯并雙唑（PBO）纖維、聚酰亞胺（PI）纖維等。其主要性能指標如表1所示。

近年來，世界主要高性能纖維繼續(xù)以較高的速度發(fā)展，但不同品種之間也有差異，如：PAN基碳纖維在經過前幾年的高速增長后，現已出現供過于求的局面，而芳香族聚酰胺類纖維經過多年的平穩(wěn)發(fā)展后，自2000年出現供不應求的局面。這兩類主要的高性能纖維自20世紀80年代起就經歷過多年交替高速發(fā)展的歷史時期，但總的發(fā)展趨勢是朝著大型商品化的方向邁進。

超高強PVA纖維及新型PBO纖維是目前發(fā)展最快的高強高模纖維，而蜜胺纖維和PAN預氧化纖維（POF）已穩(wěn)居阻燃纖維榜首。高強高模聚乙烯纖維則是我國依靠自己的技術發(fā)展最快并具有一定國際競爭力的品種，國內外市場前景看好。此外，聚苯硫醚、聚酰胺酰亞胺、聚酰亞胺及其共聚纖維、萘環(huán)聚酯、聚苯并咪唑、超強PAN纖維在我國都有不同程度的發(fā)展。隨著應用領域的不斷擴展，高性能纖維的研究與開發(fā)進入“量體裁衣”的時代。

國際碳纖維產能持續(xù)增長及其市場現狀蘆長椿

市場的強勁需求和碳纖維價格的上漲，使PAN基碳纖維的生產能力呈連續(xù)增長態(tài)勢。面對能源和生態(tài)環(huán)境的制約，瀝青基碳纖維的開發(fā)和應用也將引起人們關注。研究國內外碳纖維的市場需求結構，提高碳纖維供需平衡的預測能力，將對我國碳纖維行業(yè)的健康發(fā)展起到一定的作用。

穩(wěn)定強勁的市場需求與價格的攀升，促使碳纖維產能的建設投資連續(xù)增長。2005—2008年間，全球用于碳纖維產能的投資已突破8億美元。生產能力從3.3萬t上升到了5.7萬t，預計2015年有望達到7.11萬t。

從1997—2007年，全球碳纖維產業(yè)以每年8%的速率增長。目前，碳纖維國際市場的價格已在2004年的基礎上上升了65%左右。

1碳纖維的市場及潛力

全球碳纖維的需求將會成倍增長，估計2008年消費量為3.89萬t左右，2012年將達5.23萬t，年均增長率約為16%。

預計2012年大歐洲將消耗全球碳纖維的32%，北美約為32%，亞洲（除日本外）為22%，日本達14%。碳纖維的消費趨勢十分清晰，運動和休閑制品是碳纖維的傳統(tǒng)應用方面，但相對于其它蓬勃發(fā)展的領域，該領域已失去了先前的重要地位，預計2010年其消耗量將占總量的16%左右，年增長速度保持在5%的適度水平。

碳纖維在航空航天工業(yè)領域的應用將會大幅增長，2010年將達22%左右，年增長率約為20%。其中，波音公司和空中客車公司的巨大訂單是關鍵的影響因素。兩家公司目前已經壟斷了座位超過100座的客機市場，其產品交貨量如圖1所示。目前，波音787使用的碳纖維增強復合材料（CFRP）已超過50%，空中客車A380以及體積相對較小的A350，也計劃在2010年大幅增加CFRP的使用比例。

根據空中客車公司的預測，2023年大型客運飛機的數量將是2003年的2倍，即將從10838架增加到21759架。全球航線期望交付的大型客機和貨機在17328架左右，即平均每年交付866架。

碳纖維在產業(yè)用領域的應用，在過去的5年間取得了明顯增長，2010年該領域的消耗量有望接近總消耗量的63%，年增長速率在15%～18%之間。產業(yè)用的強勁增長是基于全球大量有價值的工程項目的實施，如風能建設、壓力容器、水面運輸船具、土木工程、海上船只艦艇以及石油行業(yè)的工程開發(fā)等。表1為2007—2012年間碳纖維在產業(yè)用領域的需求狀況。

近年來，碳纖維在軍工領域的應用也取得了進展。美國F–22戰(zhàn)機選用CFRP配件已達350余種，軍用戰(zhàn)機與一些裝備的CFRP的使用量已占其總重量的25%～30%，如黑鷹直升飛機、無人靶機、裝甲防護體、頭盔、防護帽以及軍用器械支架等。

隨著能源消費形勢的日益嚴峻，有理由相信，燃料效率和安全性因素將迫使汽車生產廠商更多地從鋁材轉向使用CFRP，以替代車體或其關鍵部件。

2全球碳纖維生產能力掃描

2.1PAN基碳纖維

日本、美國的碳纖維生產商及我國臺灣的臺塑集團均自行生產PAN原絲，保障了碳纖維的品質及其穩(wěn)定性，并有效地控制了產品的制造成本。

據預測，2008—2010年間，碳纖維小絲束（1K/3K/6K/12K/24K）的產能將增加1.9萬t，2010年的理論產能將達到7.01萬t。日本東麗公司作為碳纖維行業(yè)的先行者，為確保領先地位，計劃投資額約占全球碳纖維生產總投資額的33%；日本東邦Tenax公司在日本本土、歐洲和美國都投入了碳纖維工廠的建設，約占全球產能總投資的20%。3家日本公司（東麗、東邦Tenax和三菱人造絲）的產能投資約占全球小絲束新產能的67%，而兩家美國公司（Hexcel公司和Cytec公司）僅占16%，我國臺灣的臺塑公司約占12%。表2為2007—2010年全球PAN基碳纖維的生產商及產能預測。

3K與6K絲束適宜一般用途，也能用于航空級制品中。從技術角度考慮，它們不可能完全替代12K絲束，因此，不少碳纖維生產商非常重視改造專門的生產線以適應此類產品的生產，如日本東邦公司將位于美國生產基地（美國Fortafil公司）的80K重旦絲束生產線改造成了生產24K規(guī)格的絲束。

美國Zoltek公司近年來不斷創(chuàng)新，特別是在風能葉片等產業(yè)用領域尋求新發(fā)展。SGL公司也正在實施龐大的投資計劃。此外，2008年我國的大連興科碳纖維公司、土耳其AKSA公司的碳纖維新項目也正在建設中。

2.2瀝青基碳纖維

2.2.1市場發(fā)展

1970年，日本吳羽化學通用級瀝青基碳纖維投入生產，其商品名為Kreca?，大阪瓦斯化學公司的同類瀝青基碳纖維的商品名為Donacarbo，均系短纖維。其他已實現商業(yè)化運轉的瀝青基碳纖維生產商如表3所示。

2.2.2技術特征

瀝青基碳纖維及其制品具有一系列技術特征，主要體現在以下幾個方面。

（1）成本低廉

瀝青基碳纖維以石油基和煤基瀝青為原料，成本低廉。與PAN基碳纖維和粘膠纖維相比具有較高的碳化得率，通常在75%以上。

（2）熱傳導性能高

中間相瀝青基碳纖維的熱傳導性能是同類型PAN基碳纖維的4～5倍，達600～800W/Mk，其增強復合材料的熱傳導性能幾乎與金屬銅相當。

（3）穩(wěn)定性好

該纖維對溫度變化及惡劣環(huán)境下的侵蝕表現出十分好的穩(wěn)定性。

（4）熱膨脹系數（CTE）呈負值變化

瀝青基碳纖維在受熱狀態(tài)下，沿纖維軸向，纖維的CTE呈負值變化。利用該性能，可將瀝青基碳纖維與金屬或聚合物制成復合材料，這種材料在使用中表現出良好的尺寸穩(wěn)定性，并可依據設定的熱膨脹率制得所需產品。

（5）產品種類多樣

瀝青基碳纖維可被加工成多種形式的產品，以適應市場的多樣化需求，如UD產品、平衡織物、預浸料、纖維墊、短切纖維和研磨纖維等。

2.2.3應用

由于具有較高的熱傳導性能，反向熱膨脹系數和超高的模量，因此瀝青基碳纖維適用于空間技術和人造衛(wèi)星領域。

瀝青基碳纖維獨特的熱傳導性能，使其在高產出的電氣設備中顯示出良好的散熱效果。對有效載荷有嚴格限制的運載火箭來說，瀝青基碳纖維增強材料在減輕重量上可起決定作用。

瀝青基碳纖維的低密度、高熱導性能以及特殊的摩擦性能，對于其在軍事領域的應用十分有價值。而瀝青基碳纖維及其增強材料的穩(wěn)定性，也為設計制造出高性能與持久耐磨的制動系統(tǒng)提供了理想材料。

為了適應開發(fā)高模量制品的需要，碳纖維生產商的研發(fā)目標已越來越多地轉向具有良好剛性和撓性的瀝青基碳纖維產品，因為它能夠提供一般纖維材料難以達到的高性能。

在受到生態(tài)環(huán)境和能源雙制約的21世紀，瀝青基碳纖維將會持續(xù)穩(wěn)定地增長，并成為在成本結構上極具競爭力的碳纖維品種，具有十分好的發(fā)展前景。

3碳纖維的研發(fā)現狀

各國在航空航天領域的競爭、產業(yè)用紡織品的巨大需求，以及近年來軍事工業(yè)對碳纖維復合材料越來越廣泛的使用，使碳纖維及其制品的市場需求量急劇上升，從而也刺激和促進了碳纖維產能的大規(guī)模擴張。

3.1研究能力不斷提升

全球碳纖維總產能的8成以上由幾家日本和美國的公司壟斷。可以說，從日本和美國碳纖維主要生產商的發(fā)展與相關市場變化，可看到碳纖維的基本發(fā)展特征。

在近40年的發(fā)展歷程中，東麗公司的碳纖維及其制品始終占據著不可替代的位置。1960年日本東麗公司開始了碳纖維的研究，1969年實現了商業(yè)化規(guī)模生產，同時在運動和休閑制品方面得到廣泛應用；1970年東麗公司CFRP制品進入空中客車公司；80年代波音公司業(yè)務增長，東麗CFRP制品連續(xù)應用于波音B747–400、B777及空客A320、A310–400等大型客機中；2003—2010年，東麗公司將占據著空客A340–600、A380和波音公司B787用碳纖維的大部分市場份額。

三菱人造絲公司對碳纖維的研發(fā)已有37年的歷史，其商品名為Pyrofil?的碳纖維產品包括IM系列、HM系列、HT系列等，尤其是HT系列的TR50S15LPAN基碳纖維，得到用戶的一致認可，在F1賽車、壓力容器以及歐洲（西班牙、德國等）、北美等地區(qū)的風能發(fā)電設備中得到廣泛使用。

東邦Tenax公司也是日本主要的碳纖維生產商，和東麗、三菱人造絲公司一樣，都曾是日本最具規(guī)模的PAN纖維生產商，具有豐富的PAN纖維生產經驗。東邦公司以氯化鋅為溶劑生產PAN纖維，東麗公司采取以DMSO為溶劑的工藝路線，而三菱人造絲則以DMA為溶劑，三者均具有為碳纖維生產提供優(yōu)質原絲的先決條件。

美國SGL集團是世界頂級碳纖維及其制品的生產商之一，業(yè)務范圍包括碳、石墨以及CFRP。該公司的產品應用于多個領域，如航空、汽車、能源、防護與高溫技術、醫(yī)藥、運動器材、電站、衛(wèi)星、半導體等。

近來，SGL的子公司Hitco獲得了波音公司767的新定單。該公司在Bavaria投資新建了擁有100名技術人員的研發(fā)中心，目的是迎對未來碳纖維市場可能出現的旺盛需求。SGL集團還表示，將在短期內完成蘇格蘭和德國碳纖維工廠的建設，以開發(fā)性價比更高的碳纖維產品。

可以說，豐富的研發(fā)經驗和持續(xù)投入、高品質PAN原絲的一體化供給體系是碳纖維產業(yè)穩(wěn)固發(fā)展的基礎條件。

3.2Hexcel模式值得關注

美國Hexcel公司是美國最大的碳纖維生產廠家，同時也是全球最大的碳纖維織造及CFRP生產商。其CFRP制品在土木工程、航空航天、風能發(fā)電市場處于領先地位。

2008年，Hexcel公司在預浸料產品方面有巨大投入，包括在我國天津設廠生產Hexply產品，以滿足清潔能源即風能發(fā)電裝備的需求；位于法國Nantes的工廠生產HexplyM21產品，以便就近供應空中客車公司的需求。Hexcel公司的預浸料產品主要供應波音公司和空中客車的A380和A400M。此外，風能設備領域近年來對碳纖維的需求穩(wěn)步增長，年增長率在20%左右。Hexcel公司在西班牙Toledo附近興建的新工廠已于2008年投入生產，從而使Hexcel公司的碳纖維總產能達到7000t/a。新工廠的產品主要包括3種型號，即AS4、AS4C及IM7。

有60年生產經營經驗的Hexcel公司是一個集碳纖維生產、織造和CFRP加工一體化的生產商，并已將高性能纖維的研究開發(fā)、產品應用和市場拓展形成了完整的產業(yè)鏈。我國的同行雖難以效仿，但可以改善發(fā)展理念，逐步提升和改善國內較為薄弱的碳纖維生產、應用、市場三方的協(xié)同與合作水平。

4結束語

全球碳纖維生產商的大規(guī)模連續(xù)投資和產能的持續(xù)增長，無疑是基于強勁的市場需求和碳纖維價格的上揚。回顧碳纖維技術的發(fā)展歷程，不論是東麗、帝人公司40年的投入，還是Hexcel公司幾十年的企業(yè)發(fā)展經驗，都可以從中看出，碳纖維的生產始終與研究開發(fā)融為一體，其市場的拓展始終立足于品質提升和研發(fā)資金的不斷投入。

我國的碳纖維產業(yè)正值發(fā)展時期，正視自身的技術基礎和條件，研究國內外碳纖維的市場需求結構，提高碳纖維供需平衡的預測能力，將對我國碳纖維行業(yè)的健康發(fā)展起到一定的作用。

背景資料

我國碳纖維產業(yè)發(fā)展活躍

近幾年，由于國家重視，各界對碳纖維在國民經濟中的重要性的認知越來越高，我國已有多家企業(yè)和研究機構投巨資研究和開發(fā)碳纖維。

據不完全統(tǒng)計，目前我國正在籌建、建設和試車的百噸級以上碳纖維生產廠家達20家以上，到2010年計劃建成的千噸級以上的碳纖維廠家至少有10家，此外打算上馬的廠家還有若干家，而我國各種CFRP制品的生產廠家已有百余家，預計2008年全國的碳纖維需求量為5600t左右，其中所需碳纖維大都從國外和我國臺灣地區(qū)進口，因此我國已成為繼美、歐、日之后的世界四大碳纖維消費市場之一。

我國碳纖維的發(fā)展特點主要表現為以下幾個方面：

（1）生產廠家的分布趨于合理，包括吉林、遼寧、河北、甘肅、北京、山東、江蘇、上海、浙江、廣東、四川、安徽、山西、陜西，其中江蘇和吉林將形成產業(yè)集群；

（2）工藝技術趨于多元化，PAN原絲的溶劑路線有DMSO法、DMF法、DMAC法、NaSCN法、HNO3法，聚合工藝有水相聚合、溶液間歇聚合與連續(xù)聚合，還有低、中、高轉化率之分，紡絲有濕紡、干噴濕紡和凝膠紡絲法，預氧化和高溫碳化爐的來源也趨于多樣化，有國產設備和美、德、日等引進設備，石墨化爐也在研制；

（3）從事碳纖維生產的廠家包括多種所有制企業(yè)，并涵蓋化工、紡織、冶金、石化、石油、航天、房地產等行業(yè)；

（4）2008年和2010年所預測的碳纖維總產能各達4100t和2.4萬t，但后者產量預計不足產能的30%，且質量僅達到國外低檔產品的水平，纖維離散系數較大；

（5）實驗室小試的碳纖維性能獲得突破，相當于T700的水平，2010年有望通過中試而逐步實現產業(yè)化，而相當于T800的碳纖維的研究正在攻關中；

（6）我國碳纖維的市場需求，2010年有望達到6000t。

專家點津

碳纖維開發(fā)和產業(yè)化中值得關注的問題

由于碳纖維是制造復合材料的主要原材料，而非應用的最終產品，因此一定要用制造復合材料的需求和要求去引導碳纖維產業(yè)的發(fā)展。為了加速碳纖維的國產化進程，實現碳纖維產業(yè)的健康發(fā)展，有效地生產和使用國產碳纖維，針對目前國內碳纖維產業(yè)化應用中的一些問題，提出以下要求，作為工業(yè)化批量生產碳纖維的參考。

1.既要重視力學性能，又要重視工藝性能

力學性能是碳纖維達到水平等級的標志，工藝性能是碳纖維規(guī)模化應用的基礎。人們往往看重前者，而忽視后者，其實工藝性能不好也會嚴重影響復合材料的力學性能。工藝性能不好，將給批量應用帶來很大麻煩，特別是現階段全球碳纖維供應已不再緊張，甚至有供過于求的趨勢，如果國產碳纖維不重視工藝性能的改進和提高，在國外碳纖維大量供應的現實條件下，很難被廣大用戶所接受。

工藝性能的要求主要包括：碳纖維要有足夠的連續(xù)長度且長度要一致，以提高利用率，降低生產消耗；線密度穩(wěn)定，離散性要小，保證復合材料結構的穩(wěn)定性；無斷頭、無毛團、毛絲要少，便于提高復合材料的生產效率，穩(wěn)定復合材料的質量和性能；有針對性地合理上漿，改善碳纖維的操作性能；不同用途的碳纖維上漿劑含量應該不同。不能單獨依靠提高上漿劑含量這一措施來解決碳纖維毛絲的問題；碳纖維收卷寬度要一致，盡可能展開到足夠的寬度，有利于制備薄型預浸料和薄壁結構復合材料，降低復合材料制造成本，減輕結構重量；按用途確定有無捻度，以滿足各種需求；碳纖維還應有足夠長的貯存期，在此期間應保持其柔軟性和工藝操作性。

2.重視碳纖維的表面處理

復合材料的最大弱點之一是其層間強度低，如果不進行或沒有好的表面處理辦法，碳纖維的介面性能更差，復合材料的層間性能更低。目前，國內一些碳纖維廠家生產的碳纖維沒有進行表面處理或沒有很好的表面處理辦法，復合材料的層間剪切強度不高，需要盡快解決。

3.上漿劑性能的改進

良好的上漿劑既能改善碳纖維的工藝性能，又能提高復合材料的力學性能，目前國內所用的上漿劑普遍不夠理想，在改善碳纖維工藝性能和提高力學性能方面沒有發(fā)揮應有的作用。因此需要提高上漿劑的性能，開發(fā)多種上漿劑，滿足與不同樹脂基體的匹配要求。

另外，碳纖維擴產還應建立在生產穩(wěn)定、性能穩(wěn)定、工藝穩(wěn)定、質量穩(wěn)定即技術過關的基礎上，且應有計劃地按步驟擴大生產，避免盲目性，以免生產出來的碳纖維不能滿足客戶要求，造成積壓和浪費。

專家名片

張鳳翻，男，1937年生，研究員，浙江嘉興中寶碳纖維有限責任公司總工程師，長期從事碳纖維及其先進復合材料的研發(fā)。

新型高性能纖維的開發(fā)與應用羅益峰

高性能纖維的不斷創(chuàng)新是高性能產業(yè)用紡織品及復合材料用纖維領域的重要進步。本文所述新型高性能纖維，是指國外已產業(yè)化但國內尚未研制或未繼續(xù)研發(fā)的重要高性能纖維，以及國內外正邁向產業(yè)化道路的新一代高性能纖維。

1耐熱阻燃類纖維

1.1聚酰胺酰亞胺類纖維（Kermel）

Kermel纖維最早由法國Rhdne–poulencS.A.（羅納·普朗克）公司于1972年開發(fā)成功，其突出特點是阻燃性、耐熱性、高溫尺寸穩(wěn)定性、高溫耐熱老化性和穿著舒適性均優(yōu)良，在火焰中不熔滴，LOI值為32。主要用作短纖，以纖度2.2dtex、長度40mm為主，普通型強度為2.8～3.2cN/dtex，高強型為3.7～4.1cN/dtex，呈麥稈黃或淺黃色。

Kermel纖維主要用作軍服、沙漠戰(zhàn)斗服及防護手套等，如英國和法國的軍服及阿爾及利亞的特種部隊軍服等。此外，Kermel與阻燃粘膠纖維的混紡織物已用于英、法、西、德等國的軍服、消防服、石化廠工作服及其它特殊工業(yè)用途。Kermel與羊毛的混紡織物已用于法國的軍用內衣、荷蘭和瑞士的消防服，Kermel與Kevlar的混紡織物（64/36）已用于英、法的消防用套頭夾克和意大利的消防服，后者被稱作KermelHTA織物。總之，Kermel消防服已占據歐洲約60%以上的市場。

另外，由于Kermel的耐腐蝕性優(yōu)良，特別是耐酸性和耐溶劑性優(yōu)良，因此可用作耐腐蝕性液體的濾材。隨后Rhdne–poulencS.A.公司與美國Amoco（阿莫科）公司合資組成了Kermel公司，并成功開發(fā)了共聚的改性纖維，用于高溫粉塵濾袋等，從而使Kermel的產能由1996年前的300t/a增至700t/a，1997年又繼續(xù)增至750t/a，并在進入21世紀后開發(fā)了超細纖維新品種，這種纖維能反射紅外線，可進行原液染色或織物印染，色牢度、抗紫外線及洗滌牢度好。目前我國尚未有研制。

1.2酮酐類聚酰亞胺纖維（P84）

P84纖維于20世紀70年代末由美國Upjohn公司開發(fā)，后來轉讓給了奧地利Lenzing（蘭精）公司生產，并于1996年被英國InspecFibers公司收購，其產能也由原來的300t/a增至現在的800t/a，產品有單絲、復絲和短纖維等。

P84纖維的最大特點是濕紡后自然形成近似中空截面的纖維，密度低、抱合性好，耐熱性、阻燃性及耐腐蝕性優(yōu)良，不會在酸性氣體的露點溫度下遭腐蝕，因此適用于高溫粉塵濾袋、軍服及消防服中，唯一的不足是纖維強度較低，只有1.8cN/dtex左右。此外，由于該纖維在真空條件下不會釋放出微量氣體，因此適用于宇航用的繩纜類制品。

1.3聚醚酰亞胺（Ultem）和Valox纖維

美國GE公司于2007年發(fā)布了由Ultem和Valox樹脂所紡制的新型耐熱、阻燃纖維及其非織造布和織物，它是為適應日益嚴格的機內紡織品等內裝飾材料的防火、煙塵及毒性要求而推出的。此外，該纖維還可改善飛機艙內的空氣質量和舒適性并使系統(tǒng)成本下降，且設計自由度更大，值得關注。Ultem纖維與玻璃纖維的混紡線可制成復合板等，用于飛機上，此外還可用作高溫過濾介質和防護衣等。2007年9月，沙特基礎工業(yè)公司（SABIC）收購了該業(yè)務部門，并從美國Hills（希爾）公司購買安裝了高溫熔融紡絲生產線，可紡2～6D/f的PEI和Extem纖維等，可進行著色，有長絲和短纖等品種。

2阻燃纖維

目前最具代表性的有機阻燃纖維是蜜胺（三聚氰胺–甲醛）纖維Basofil，與其它抗燃纖維如PAN預氧化纖維（黑色）、酚醛樹脂纖維（金黃色）不同的是，該纖維呈白色，可進行印染等后處理，同時強度較高，約為2～4cN/dtex，LOI值為32，長期使用溫度為200℃，不熔滴。Basofil纖維是由德國BASF（巴斯夫）公司于1994年開發(fā)的，當時的產能為1630t/a。其制備工藝主要是將縮聚好的蜜胺中間縮合物（含水18%）進行干紡及后處理，然后卷取，卷取速度為200m/min。

Basofil纖維主要用于軍服和消防服、防護手套等，被譽為最理想的消防服材料。2003年，BASF公司的Basofil纖維業(yè)務被美國家用紡織品制造商MckinnonLandMoran公司收購，并繼續(xù)在美國北卡羅來那州的BASF工廠生產，并運用該公司的“抗燃紗阻燃技術”織成了Alessandra織物，其中的Basofil成分用于提供防火屏障。目前，我國尚未對該類纖維進行研制。

3高強高模纖維

3.1聚芳酯纖維（Vectran）

Vectran纖維是共聚類纖維，最早由美國HoechstCelanese（赫斯特賽拉尼斯）公司研發(fā)，后又轉至日本可樂麗公司實現產業(yè)化。其主要單體原料為對羥基安息香酸（HBA）和6–羥基2–萘甲酸（HNA），經縮聚制成液晶態(tài)聚合物后再經熔紡與熱處理而得。纖維的密度為1.41g/cm3，強度約為23.7cN/dtex，具有低蠕變、不吸濕、耐熱及低溫耐磨性，尺寸穩(wěn)定性好，耐切創(chuàng)性是Kevlar纖維的2.5倍，滌綸的10倍，且振動衰減性優(yōu)良。因此，該材料主要用作復合材料增強纖維、海洋用繩纜、光纜補強件、同溫層飛行的飛艇張力元件、火星探測器的軟著陸氣囊、宇航服材料（耐120～150℃）、混凝土補強材料、防護手套、工程防護板、高檔音箱材料、繩網類、體育用品等。2006年該纖維的產能為500～600t，2007年增至1000t，2008年的產量則為800t。我國東華大學曾進行過Vectran纖維的小試技術鑒定，但隨后又終止了研究。

3.2吡啶環(huán)的芳雜環(huán)類纖維（M-5）

M–5纖維的組成為聚［2，5–二羥基–1，4–亞苯基吡啶并二咪唑］（PIPD），是將四氨基吡啶（TAP）鹽酸鹽和2，5–二羥基對苯二甲酸（DHTA）在多聚磷酸（PPA）中縮聚后，采用液晶溶液的干噴濕紡制成初生絲，再于400～550℃下熱處理而得。

該纖維的最大特點是壓縮強度高，達1.5GPa，居高性能纖維之冠，強度為5GPa，模量達300GPa，可與俄羅斯的Armos和東洋紡的Zylon（PBO）纖維相媲美。而Kevlar纖維的強度與模量各為3GPa和100GPa，壓縮強度僅為0.5GPa，因此M–5纖維作為代鋼筋材料及抗壓結構材料具有廣闊的發(fā)展前景。

M–5纖維最早由荷蘭的AkzoNobel（阿克蘇·諾貝爾）公司開發(fā)，后由美國DuPont（杜邦）公司和Magellan（麥哲倫）公司進一步研發(fā)，已進入中試階段。目前我國對該類纖維的研制正處于準備階段。

3.3聚酮纖維（Syblon）

美國ShellChemicals（殼牌化學）公司開發(fā)了聚酮樹脂，而日本旭化成公司采用獨創(chuàng)的從聚合物到紡絲的專利技術開發(fā)了世界首款聚酮超強纖維。2006年1月，旭化成公司在日本延岡建成了產能為20t/a的試驗生產線，由一氧化碳和乙烯在催化劑條件下通過氣相反應而制取樹脂，然后與溶劑和催化劑配成溶液，濕紡后在由多種鹽組成的凝固水溶液中成形，再于金屬鹽水溶液中進行多段熱拉伸而得。

Syblon纖維的密度為1.3g/cm3，強度為18cN/dtex，斷裂伸長率為3%，含濕率為0.6%，熔點為272℃，與橡膠的粘合性好，因此其市場目標是取代粘膠簾子布應用于扁平子午胎，如果能取代10%的粘膠基碳纖維市場，其需求量即可達7000t/a。此外，該纖維還可用作高壓軟管、防護手套、密封材料、電池隔膜和復合材料等。2008年投產后將進一步擴至1000t/a的產能。目前我國尚未有研制。

3.4聚酰亞胺及其共聚纖維（PIM）

最早產業(yè)化的PIM是DuPont先鋒研究室研制的PRD–14，但隨后停止了生產。至20世紀90年代，一家德國公司曾研制出了從耐熱纖維至高強高模纖維共6個系列的PIM及其共聚纖維，其基本性能如表1所示，但迄今未有產業(yè)化的報道。我國中科院長春應用化學研究所已通過該纖維的中試鑒定。

3.5高性能納米纖維（GNF）

3.5.1酚醛類GNF和酚醛基碳納米纖維（GNF–C）

日本群榮化學工業(yè)公司最近研制出了3種GNF，其中酚醛類GNF及GNF–C是通過將纖維素和諾沃拉克線型酚醛樹脂進行混合紡絲后，出現相分離現象而制得具有海島型結構的復合纖維，島成分為諾沃拉克，為了取得島成分的GNF，須用溶劑等將海成分洗凈除去。若要進一步制成GNF–C，則只需將上述海島纖維在燒成碳化工程中，連續(xù)除去海成分而高效制得，其特點和特性如表2所示。

GNF–C與CNT（在金屬催化劑作用下使碳素結晶化成長，然后將催化劑除掉）不同，是無定形碳，表面存在許多含氧官能團，表面親和性比CNT強，氣相成長法CNT長度有限，而GNF–C可隨意控制纖維長度，當制成非織造布或紙時，其絡合性比CNT強，可減少粘合劑的用量。GNF–C的導電性不及CNT，但復合材料的強度比CNT高，例如錦綸的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度和彎曲模量分別為33.3、660、34.5及730MPa，而用1%的GNF–C增強后，則分別變?yōu)?7.6、650、40.5和870MPa。GNF–C還可經熱蒸汽活化而變成納米活性炭纖維，具有很強的吸附特性，可用作高效濾材。

3.5.2亞胺類GNF（GNF–I）

由于聚酰亞胺類物質難以進行熔紡，因此需與纖維素共同溶解于溶劑中，進行濕法紡絲而形成海島結構的纖維，然后用溶劑溶去作為海成分的纖維素而制得GNF–I，其特點和性能如表3所示。

GNF–I保持了亞胺類聚合物的耐熱、耐化學藥品、耐放射和電絕緣性，并且不會因納米化而下降，因此可用于紙、非織造布、線繩、織物等，并可進一步用于各種高效濾材、電解電容器、雙層電容器的隔膜，電子部件用的包覆材料，以及粘合劑補強材料、橡膠和水泥等的補強材料等。GNF的基本分類包括：平均纖維直徑只有100nm一種，但長度有0.2和3mm兩種，由于干態(tài)下易飛散，因此以溶劑濕態(tài)存在（GNF–I的含量為5%～15%），溶劑種類包括水、甲乙酮、丙酮、甲醇等。

3.5.3PAN類GNF及GNF–C

日本滋賀縣立大學采用重均分子量為1.56×105的聚丙烯腈（PAN）及AN與丙烯酸甲酯（MA）（兩者比例為94∶6）制成的共聚體（MW＝105），配制成濃度為6%的DMF或DMAc溶液，然后進行靜電紡絲，附加電壓為10kV，接受距離為15cm，注射器流量為0.0184mL/min，接受羅拉的旋轉速度為21m/min，噴絲孔內徑為21G（約為0.51mm），注射器橫動速度為16mm/min。制得PAN的GNF原絲后，在280～310℃范圍內進行預氧化處理，加熱介質、空氣以及O2與N2體積比為1.9的混合氣體，結果表明：預氧化處理條件以在280～300℃的熱空氣中保持1h為宜，若超過300℃，則纖維間易發(fā)生熔粘而失去纖維形態(tài)。碳化時，以3℃/min升溫速率將空氣升至900℃，降溫時則以3.5℃/min的速度冷卻，即可制得濾材用PAN基GNF–C。

3.5.4聚酰亞胺GNF

另外，滋賀縣立大學還研制出了聚酰亞胺GNF，溶劑為DMAc，聚酰亞胺前驅體溶液濃度為20%～30%，稀釋劑則采用丙酮或甲乙酮，紡絲液粘度為35泊，噴絲孔內徑為0.8mm，附加電壓為10kV，靜電紡絲環(huán)境溫度為40℃，相對濕度為35%，接收板溫度為（40±5）℃，電極間距為100mm，擠出速度（20mL注射器）為0.05mm/min，接受筒旋轉速度為1.2m/min，為了增加速度，可采用粘合劑制成非織造布。具體制法為：（1）將納米纖維集合體在高溫下處理，使其中的酰胺酸實現亞胺化；（2）在粘合劑溶液中混合后激烈攪拌；（3）抽吸過濾混合液；（4）熱壓殘渣而制成非織造布。

3.5.5芳酰胺GNF

將聚間苯二甲酰間苯二胺的DMAc溶液（濃度為10%～12%），通過靜電紡絲法同樣可制得直徑為10nm的GNF，聚合物主鏈越剛直，則越易制得細的GNF纖維。該纖維可用于濾材和電子材料等中。

3.5.6HMT纖維

DuPont公司所開發(fā)的混雜膜工藝（HMT）纖維，是面向空氣濾袋用途的新型納米纖維，據稱將有可能在世界范圍內推廣。目前該纖維已在韓國的首爾投產，采用DuPont公司的特許紡絲技術，可生產出直徑為200～600nm的連續(xù)長絲。與其他技術不同，該技術能耗低，制氈周期可延長至現有聚酯氈的9倍。更重要的是，該技術所制得的除塵袋能捕集的塵埃和微粒的最大量相當于其他針刺袋的10～15倍，因此更有利于凈化環(huán)境。

3.6碳納米管（CNT）

CNT又稱中空納米碳纖維或納米碳纖維，是當今國內外的研發(fā)熱點，其制法有多種，但重點主要集中在提高纖維的強度和長度，同時探索均勻度高而又能大批量生產的方法。以下列舉國外幾家單位的開發(fā)簡況。

3.6.1日本電氣公司（NEC）

CNT的產業(yè)化與日本NEC的基本專利是分不開的。NEC與美國俄克拉荷馬大學曾就該大學所開發(fā)的并已實現商品化的“南北納米技術”和CNT的基本專利締結了專利許可證契約。“南北納米技術”協(xié)作是為了更有效地利用NEC的技術，通過被稱作CoMoCAT的單獨制法進行CNT的批量生產。

3.6.2昭和電工公司

昭和電工公司是最早采用化學氣相成長法研發(fā)和生產CNT的企業(yè)，其商品名為“VGCF”。自1982年起，該公司就與信州大學共同研究了多層納米碳管（MWCNT），并開展了在鋰離子二次電池中的應用開發(fā)，并于2003年形成了產能為40t/a的生產工廠，是日本唯一生產MWCNT的企業(yè)。

由于產品具有高結晶性、導熱性、導電性和滑動性，有助于改善鋰離子二次電池負極的充放電周期，并抑制其性能劣化和電阻減低，因此近年來除開發(fā)了高容量化負極材料及正極材料的導電助劑外，還開辟了增強樹脂、金屬和陶瓷等的復合材料，如電子儀器用的容器等。2007年1月，該公司已將川崎事業(yè)所（神奈川縣川崎市）的產能提高至100t/a，預期到2010年將滿負荷生產。在其產品中，鋰電池（LiB）用的VGCF管徑為150nm，長約10μm，而樹脂等用的填加劑直徑為100nm，商品名為“VGCF–S”，這種高導電填料的添加量只需高導電碳黑的1/2或碳纖維的1/3。

3.6.3英國劍橋大學

目前，英國劍橋大學成功開發(fā)了強度為20GPa/cm2的超高強度CNT，其導電性能超過了銅絲，且實現了長絲化，有望應用于比CFRP更高強度的復合材料和電線等中。

該產品的制法利用了CNT所特有的納米物理現象，控制數毫米的CNT結構并使之在長度方向上不斷接續(xù)而實現長絲化，這是一項具有劃時代意義的成果。目前正在籌劃的“宇宙梯”計劃，就是設想利用這種超高強度的CNT長絲從地面連接處于3.6萬km外的靜止軌道上的衛(wèi)星，同時靠離心力來支撐CNT繩的平衡，并進而在該衛(wèi)星上方伸出長6.4萬km的CNT纖維，長度總計為10萬km。這一計劃在2008年11月15日由日本宇航梯協(xié)會主辦的東京2008SEC國際會議上引起轟動，被認為是未來連接地球與宇宙空間的新一代傳輸裝置。

3.6.4東京工業(yè)大學

東京工業(yè)大學以酚醛樹脂為原料，通過靜電紡絲法開發(fā)出了一種用手彎曲也不會損壞的柔性CNT非織造布。其特點是整個超細纖維只需一般硅基板一半的電壓就可使電流流通，并且具有良好的彎曲強度。而一般以PAN為原料的納米碳纖維非織造布，當用手彎曲時就會破損。因此，該產品今后有望應用于節(jié)能基板、顯示器、照明電源、汽車二次電池的電極類、傳感器基板等領域。

3.6.5日本滋賀大學

日本滋賀大學為了補強納米纖維，采用含CNT的聚合物溶液進行靜電紡絲而制成非織造布。通過直接靜電噴射工藝，可將濃度為0.5%～1%并均勻分散的CNT乙醇溶液，制成不含聚合物的CNT涂層薄膜，預計今后可應用于電子材料中。

3.6.6神奈川科學技術研究院（KAST）

2008年，神奈川科學技術研究院成功利用納米刻印法的微細成形加工技術，制成了形狀和大小一致的大量匯集狀CNT，纖維直徑為100～150nm、高5μm。如果條件最優(yōu)化，可在相當于4A紙大小的面積上制成直徑數十納米、高約40μm的纖維。預期該纖維可應用于鋰離子電池的負極材料或雙層電容器等中。

3.6.7大阪大學等

大阪大學粘接科學研究所和大阪工業(yè)研究所共同開發(fā)了將凝聚力高的CNT分散在鎂或鋁等金屬表面的技術，使金屬的硬度提高了2倍，形成了高溫穩(wěn)定的復合材料，有望改進機械滑動部分或耐熔接溫度的材料。

德國斯圖加特Fraunhofer技術開發(fā)中心開發(fā)了能低成本處理CNT的方法，現已應用于網球拍，可改進振動吸收能，也可嵌入腎，或用于電熱毯、可加熱壁紙或不結冰的機翼材料等中。

日本理科大學在濃度為1.64mol/L的紅糖溶液中，依靠在2根銅電極棒間附加20A的弧尖放電電流，成功合成出了CNT，今后該大學將進一步研究所使用的金屬極板及糖水的濃度，以探索大規(guī)模生產和降低成本的途徑。

日本名城大學利用碳素電極間的放電所產生的電弧放電，使等量混合的氬氣和氫氣在純鐵催化劑上形成直徑為1nm左右的CNT，純度高達90%以上，現正與碳素材料生產廠家配合進行批量生產技術的開發(fā)，目標是3年后實現產業(yè)化。

目前我國也有多家大學和科研院所開展了此類技術的研究，其中北大物理系等取得了卓有成效的成果。

3.7CNT增強纖維

CNT增強纖維是近年來興起的新型高性能纖維，用取向CNT增強錦綸6（或PVA纖維）等常規(guī)纖維后，可大大提高錦綸6的斷裂強度和斷裂伸長，結節(jié)強度提高了30%。所用CNT可以是VGCF或VGCF–S，單層或雙層CNT皆可，關鍵是要分散均勻，可采用熔融混練、溶液混合或原位混合法，原位法的優(yōu)點是將填料導入易分散的液狀己內酰胺和6–氨基己酸的混合物中，并加入（二萘嵌苯）四甲酸二酐（PTCDA）中，經熱縮聚而制成復合材料，其中VGCF的表面和PTCDA有π電子的相互作用，同時聚合加熱時，PTCDA的二酸酐和錦綸6的單體或分子鏈末端的氨基縮聚，并使酰胺基進一步形成亞胺基。其結果使導入分子鏈的芘基吸附于VGCF表面，從而使VGCF在錦綸6中的分散性提高，同時可防止再凝聚。VGCF–S的添加量達到0.1%時，即可產生明顯效果。這種經熱拉伸的CNT增強纖維，可改善以往壓縮強度低的缺點，同時利用其導電性有望被用作促動器等中的功能性材料。

我國東華大學利用CNT（添加量為0.1%～0.5%）來增強超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，可改進其耐熱性、蠕變性以及與樹脂的粘合性等。因此，CNT增強纖維有著廣闊的發(fā)展前景。

4結束語

除了上述各種新型高性能纖維外，國外已產業(yè)化而國內曾經研制而未產業(yè)化的品種，尚有聚苯并咪唑（PBI）、聚醚酮（PEK）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酯酰亞胺、聚二唑、氮化硼和氮化硅等。

高性能纖維的不斷創(chuàng)新是高性能產業(yè)用紡織品及復合材料用纖維領域的重要進步，隨著世界高新技術、纖維合成與紡絲工藝的發(fā)展，以及軍事、航空航天、海洋開發(fā)、產業(yè)用等的迫切需要，高性能纖維的開發(fā)與應用前景將更為廣闊。

另外，據悉我國的過濾材料產業(yè)也急需高性能纖維，特別是近年來隨著對科技和環(huán)保的重視，過濾材料領域具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑｋS著全球環(huán)保意識的增強，企業(yè)將不斷開發(fā)新型的、更有效的過濾材料，以提高過濾系統(tǒng)的過濾效率及使用壽命。

濕法非織造布（濾紙）常用于液體、汽車等領域的過濾，由于纖維細短、成網均勻，具有較好的過濾效率及容塵量，在生產過程中還可添加部分高熔點、耐高溫的高性能纖維，如芳香族聚酰胺等，可用于特殊的過濾環(huán)境中。我國“十一五”規(guī)劃對環(huán)境保護提出了更高的要求，處理水、氣、噪音、廢渣等都將使用更多的過濾材料，因此過濾材料產業(yè)前景看好。