世界高性能纖維競爭格局分析

羅益峰

本文簡述了近半個世紀以來美日在高性能纖維領域的競爭情況以及今后中日兩國間將出現的競爭態勢,重點介紹了日本今后的技術研發方向,同時還論述了不同種類的高性能纖維在某些重要應用領域內的相互競爭。世界高性能纖維行業的激烈競爭將迫使各公司不斷加大研發創新的投入,幫助用戶進入“量體裁衣”的時代。

In recent half century, the competition between US and Japan in high-performance fiber was intense. This article illustrated the competition among several countries as well as different kinds of fiber in some important application fields, and focused on the technique research trend of Japan. Based on analysis, the author pointed out that the competition would force high-performance fiber enterprises to increase investment on research and development, so as to supply tailor-made products to customers.

20世紀后50年,美國為確保其軍事、尖端科學和支柱產業在全球的領先地位,一直是世界高性能纖維的開發先鋒,并將其作為重要的技術支撐嚴格掌控。80年代后,特別是邁入21世紀以來,日本靠不斷壯大具有世界領先水平的碳纖維產業,將美國新開發的高性能纖維在日本實現了產業化,并兼并國外優勢品種的事業部,使日本的弱勢品種迅速提升到世界先進水平,從而確立了現今在世界高性能纖維領域的領先地位。無論是產品的種類、系列化開發、性能指標還是生產成本,日本的高性能纖維產業均具有領先優勢。隨著以中國為首的新興國家的崛起,以及2008年世界金融危機和經濟不景氣的影響,日本開始預感到未來的發展危機,從而制訂了一系列政策措施以保持其優勢地位。除了國與國之間的競爭外,同類產品間以及重要應用領域內不同類產品間的市場競爭也愈加激烈,而不同公司在同一產品上的競爭則不言而喻了。

1主要生產國之間的競爭

1.1美國與日本

美國自1955年開發聚四氟乙烯(PTFE)纖維后,便拉開了開發高性能纖維的序幕,其中DuPont(杜邦)的PRD研究室先后開發出了聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA)、聚酰亞胺(PIM)、聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)、聚二唑(PODZ)、聚酰胺酰肼(X – 500)、聚苯并雙噻唑(PBTZ)、聚苯并雙唑(PBO)、聚芳酯(LCP)、聚丙烯腈(PAN)、粘膠和瀝青基碳纖維、聚酚醛(PPA)、四氟乙烯 – 六氟丙烯(F46)、乙烯 – 三氟氯乙烯(E – TFCE)、乙烯 – 四氟乙烯(E – TFE)、PMIA熱處理纖維(HT – 4)、蜜胺(MLA)、聚苯硫醚(PPS)及一系列無機纖維和大絲束碳纖維等。同時引進本國缺乏的品種如超高相對分子質量聚乙烯(UHMWPE)纖維并加以創新和發展,從而奠定了美國在世界高性能纖維領域的領導地位。

然而,自80年代起日本開始把投資重點由常規合纖轉向高科技纖維,通過扶持大阪工業試驗所和九州工業試驗所先后開發的高性能PAN基和瀝青基碳纖維(P – CF)逐漸強大,形成了二戰后日本居世界領先水平的十大支柱產業 之一。

其次,日本將一些美國公司開發的新品種以合作為名在日本實現產業化,最后發展成日本獨有的產品,如美國金剛砂公司開發的酚醛纖維Kynol轉至日本Kynol公司生產后,被日本最大的酚醛纖維生產企業群榮化學公司兼并,成了產能達 800 t/a的世界唯一生產商;又如聚芳酯纖維Vectran?,由美國Celanese(塞拉尼斯)公司開發后移送到日本可樂麗公司實現產業化,隨后美國公司退出;再如PBO纖維Zylon?,最早由美國空軍實驗室委托兩家大學進行基礎研究,隨后由杜邦公司和Dow Chemical(陶氏化學)進行中試,最后卻轉至東洋紡投產,產能為 300 t/a;還如杜邦所生產的PPTA纖維Kevlar?,當時日本屬空白,東麗公司率先于1994年與杜邦達成合資協議,成立了東麗 – 杜邦Kevlar公司,產能為 2 500 t/a。此外,東洋紡還與荷蘭DSM公司達成合作協議,利用DSM的UHMWPE樹脂進行凝膠紡絲試驗,成功后分別在兩國建廠,目前在荷蘭和日本的產能分別為 4 500 t/a和 1 600 t/a,而東洋紡先后又開發了通過干法紡絲將重均相對分子質量為 50 萬的PE制成高性能PE纖維,以及用熔紡法制高強PE纖維的新品種,大大提高了生產效率,且后者的耐切割性超過了Dyneema?和Kevlar?,現總產能已達 3 000 t/a,而其專利所發表的UHMWPE纖維的最高強度達到了 53 cN/dtex。

除了合作開發以外,日本還通過兼并、收購國外優勢品種等手段,使其弱勢品種很快提升到世界先進水平。三菱人造絲公司于1993年兼并了英國Courtaulds(考陶爾茲)在美國的PAN基碳纖維(PAN – CF)企業Hysol Grafil公司,隨后又委托英國RK碳纖維公司生產小絲束PAN – CF,使之在日美歐均有生產基地,并使總產能突破萬噸大關,保持了世界第三大碳纖維生產商的地位。帝人公司于2000年收購了荷蘭AKZO NOBEL(阿克蘇?諾貝爾)的PPTA纖維Twaron事業部,并投資 1 400 億日元將其產能擴至 1.85 萬t/a,2008和2009年又先后擴至 2.35 萬t/a和 2.65 萬t/a,加上其Technora?共聚纖維的產能 3 000 t/a,形成了唯一可與Kevlar?相競爭的產品。東麗公司于2002年1月兼并了美國ATY公司的PPS纖維事業部,使自身的PPS纖維總產能達到 1 600 t/a,一躍成為當時世界最大的PPS纖維生產商,這樣日本 4 家公司的總產能已超過 7 000 t/a,保持了世界領先水平,其中有約 20% 的產品輸入我國。總之,美日間經過近 40 年的競爭,到2008年日本已明顯占據優勢。

1.2日本與中國

至2008年,我國已實現主要高性能纖維基本品種的產業化,參與PAN – CF產業化的廠家不下 15 個,其中威海拓展纖維有限公司與中復神鷹碳纖維股份有限公司已實現了 1 000 t/a的產業化,纖維強度約 3.6 ～ 3.8 GPa,預期2010年全國將有百噸級以上的生產廠家 10 家,最大的可望達到 3 000 t/a,現小試已可制得強度分別為 4.9 和 5.5GPa的PAN – CF,屆時有望實現不同規模的產業化;PPTA纖維約有 7 家公司正推進產業化,到2010年產能大都為千噸級水平;UHMWPE纖維自1999年由寧波大成新材料公司實現產業化后,現有 10 多家百噸級以上的生產廠家,其中上海斯瑞聚合體科技有限公司的產能據稱已達到 3 000 t/a的水平,預計到2010年將有 7 家工廠達到千噸級的生產規模;在PMIA纖維方面,現有 3 家千噸級的生產企業,其中煙臺氨綸股份有限公司的產能已擴至 3 400 t/a,預期到2010年我國自行開發的芳砜綸也將達到 1 000 t/a的水平;PPS纖維有數家公司生產,其中四川德陽科技股份有限公司已建成 500 t/a的產能,其他有一些是利用VC 405的滌綸短纖生產裝置來轉產PPS纖維;在玄武巖(BS)纖維方面,目前至少有 4 家百噸級的生產工廠,到2010年至少有 2 家可望達到千噸級規模。上述纖維生產企業大都有自己的專利,包括目前尚處于研制階段的PBO和蜜胺共混纖維等,都有自己的技術特色。

針對以中國為首的新型國家的崛起,日本媒體預測,今后世界高性能纖維領域的競爭將進一步激化。為此,日本經濟產業省修訂了“2006年日本下一代技術戰略圖”并出臺了“2007技術戰略圖”,在 25 個領域中都追加了高新技術纖維的內容,目的是維持日本在高科技纖維領域的優勢地位。以下內容僅將戰略圖中涉及高性能纖維的部分加以簡述,供參考。戰略圖首先提出了評價重點課題的主軸線(相當于指南),然后提出在材料和安全方面的重點課題、碳纖維重點課題、建筑、IT(信息技術)和生活資材領域的重點課題,以及 3 個基礎技術領域的技術路線。

1.2.1重點課題的評價軸線(纖維領域)

(1)應對社會需求的技術

? 應對資源(包括替代石油)和能源的技術;

? 應對安心和安全度的相關技術;

? 提高功能性和便利性的相關技術;

? 基于其它政策要求的技術。

(2)技術優越性

? 技術的難易度(高風險技術);

? 技術本身的先進性和進步性(未來的高技術);

? 具有國際領先性的技術(與國際研究水平比較);

? 與其它材料相比較,可發揮纖維材料優越性的技術;

? 能帶來新功能或大幅度提高性能的技術。

(3)市場影響力

? 與開創或擴大市場相關的技術;

? 涉及到多領域且效果大的技術(不僅涉及直接開發對象的制品和部件,還包括可望應用于汽車和IT等其它領域的技術);

? 能在產業界形成共同基礎(包括評價技術)的核心技術,以及可望廣泛應用的技術;

? 成本競爭時所不可缺的技術。

1.2.2碳纖維重點課題(表 1)

建筑領域的重點課題,還包括高強度纖維與基體的粘合技術以及高強度纖維的高效和低成本制造技術、高韌性混凝土與纖維相配合基體的最佳化等。在基礎技術領域的研發課題還包括:(1)納米復合纖維的研發,如通過碳納米管增強纖維技術的開發,實現通用纖維的高性能化,包括超高韌性和強度的平衡、高強纖維的低模量化技術、纖維非晶領域的分子結構控制技術;(2)納米混雜聚合物的設計、紡絲與碳化技術,包括高強聚酰胺和聚酯纖維的工業化技術開發、高強芳酰胺纖維的工業化技術開發、超高相對分子質量化及其拉伸技術開發;(3)由天然原料開發碳纖維原絲、超高強度纖維素纖維的開發;(4)創新的碳纖維,包括熔紡碳纖維原絲的開發、聚合物的設計與合成、紡絲與碳化技術、高速紡絲技術、低溫碳化技術等。

最近,帝人公司在荷蘭興建了噴射紡絲法生產新型Twaron?漿粕的中試廠,它具有穩定的高溫粘合性,可用于制造具有高化學和熱穩定性的工業用紙。可樂麗則在將Vectran?纖維的產能擴充至 1 000 t/a的同時,在2008年北美Techtextil(亞特蘭大)上推出了溶液染色的Vectran? HT新品種,有藍、綠、橘紅等色澤,其抗紫外光性、色牢度和強度較好,同時還導入了細旦絲產品。靜岡大學采用超臨界醇新技術,將CFRP中的熱固性和熱塑性樹脂分解,使碳纖維無損地分離回收,而且也可將回收的樹脂再利用。此外,據日本近 12 年的專利統計,在1996年4月1日 — 2000年3月31日、2000年4月1日 — 2004年3月31日、2004年4月1日 — 2008年3月31日 3 個階段所發表的高強纖維及提高纖維強度方面的專利數,分別為 164、256 和 194 篇,合計為 614 篇;提高耐熱性方面的分別為 330、376 和 410 篇,合計為 1 116 篇;提高難燃性和防火性的則分別為 230、346 和 284 篇,合計為 860 篇,可見日本在高性能纖維的技術創新上下了較大的工夫。

2相同應用領域內不同品種間的競爭

表 2 列出了 5 種主要高強高模有機纖維在各應用領域適用性上的對比情況,可以看出,不少領域是 5 種纖維都適用的,其競爭取決于幾者之間的性價比及所需性能的高低。例如在防彈衣和防彈板領域,在防彈性能相差較小時,對部隊裝備來說就希望采用輕量的UHMWPE纖維復合材料;而當需要耐高溫時,則選擇PPTA;若需要輕量而又隱蔽的材料,則選用更高強度的PBO纖維等。

高性能纖維不斷幫助人類突破極限

(1)用UHMWPE纖維制成的漁網重量輕而強度超高;(圖片來源:DSM公司)

(2)風力發電葉片中使用碳纖維后能耗比普通玻纖降低 40% 以上;

(3)PPS等纖維在防護工作服上的應用使人們免受高溫、腐蝕性氣體等的傷害。