預氧纖維的應用和發展現狀

高磊　潘洋　孟秀青　楊剛

摘要：基于預氧纖維的阻燃性能優異和應用廣泛，本文歸納了預氧纖維的性能特點和制品形態，總結預氧纖維在防護服、飛機剎車片、飛機座椅、家具、汽車和盤根上的應用，綜述了預氧纖維目前的國內外發展現狀，重點跟蹤國內外預氧纖維下游制品開發的研究進展，分析了當前我國預氧纖維產業發展面對的困難和與國外存在的差距，建議應大力發展大絲束預氧纖維產業以滿足國內外日益增長的市場需求。

關鍵詞：預氧纖維；性能；形態；應用；國內外；現狀

中圖分類號：TS102.5文獻標志碼：A文章編號：1009-265X（2017）04-0020-04Application and Development Status of Preoxidized Fiber

GAO Lei， PAN Yang2， MENG Xiuqing1， YANG Gang1

（1.Bluestar Fiber（Beijing）Co.， Ltd.， Beijing 101318， China； 2.The China

National Bluestar （Group） Co， Ltd.， Beijing 100029， China）Abstract：Considering the excellent flame retardancy and wide application of preoxidized fiber， this paper is intended to summarize the properties and product forms of preoxidized fiber， and its applications in protective clothing， aircraft brake pad， aircraft seats， furniture， automobile and packing， comprehensively reviews the current development situation of preoxidized fiber in China and abroad， track the research progress of downstream products of preoxidized fiber at home and abroad， and analyze the difficulties of Chinas preoxidized fiber industry and the gap between China and other countries. It is suggested to energetically develop large tow preoxidized fiber industry to meet the growing market demands at home and abroad.

Key words：Preoxidized fiber； property； form； application； at home and abroad； current situation

1預氧纖維的性能特點

a）密度小，吸濕性與棉相近；b）阻燃，高的極限氧指數（40%～60%）；c）火焰中不熔、不軟化、不熔滴、不收縮，離火后自熄；d）電氣絕緣性好；e）優異的熱穩定性；f）低導熱率；g）良好的化學穩定性；h）安全、衛生；i）尺寸穩定，摩擦系數低，自潤滑；j）良好的紡織加工性能，可與其他纖維混紡加工。

2預氧纖維的制品形態

預氧纖維長絲可加工成短切纖維、卷曲短纖、牽切毛條、紗、織物、氈等制品，其制品形態見表1。

3預氧纖維的應用

3.1防護服

預氧纖維的主要性能包括其特殊的熱穩定性和吸濕性，都是阻燃防護服的基本要求。典型的應用是用于消防戰士、武警人員、賽車手、鋼鐵工人和焊接工人等使用的手套和防護服。采用預氧纖維或者混雜纖維制成的防護服，可減少穿著者在消防和熱阻方面的壓力，衣服重量減至最輕的同時，提高了機動靈活性。將預氧纖維織物經覆鋁箔加工后，可使織物具有耐熱、防熱輻射雙重功能。將預氧纖維與芳綸纖維混紡，可提高織物的強度和耐磨性。

3.2飛機剎車片

預氧纖維的最大應用之一是生產碳/碳飛機剎車片的前驅體。采用非織造布工藝生產預制件，然后碳化成碳/碳材料，再經機加工可形成完整的制動盤。所有領先的剎車片制造商如Dunlop Aviation公司使用預氧纖維來提高剎車片預制件的紡織加工性能，可使剎車片承受（有時）1 000 ℃以上的著陸溫度。

3.3飛機座椅

預氧纖維及其混紡織物是飛機座椅理想的擋火材料。在飛機發生火災時，覆蓋在聚氨酯泡沫塑料上的預氧纖維有助于延緩熔化其背后的泡沫，減緩了有毒氣體的釋放，讓乘客有更多的時間逃生。

3.4家具

預氧纖維可純紡或與其他纖維混紡，以增加其耐磨和耐撕裂性，其織物或無紡布，可用于如劇院、療養院、賓館、電影院及其他公共建筑中的窗簾、沙發座套。在發生火災時，預氧纖維有助于延遲點燃或座墊泡沫的熔化和有毒氣體的釋放，贏得時間的人逃離建筑物。

3.5汽車

與亞麻、羊毛、巖棉和泡沫等結合使用，如與滌綸混紡，可以制成任意形狀。預氧纖維在各種汽車零部件如內飾、前擋火板、后備箱內襯上體現了優良的隔熱和隔音價值。

3.6盤根

使用預氧纖維為原料編織而得的預氧纖維盤根，不僅耐腐蝕，密封性好，而且可耐260℃的高溫，能夠滿足熱水、過熱蒸汽、碳氫化合物等介質下閥門、法蘭、泵、反應釜等密封的要求。

4預氧纖維的國內外發展現狀

4.1國外現狀

國外在進行碳纖維產品開發的同時，適時開發了預氧纖維的紡織應用研究。一方面，已經形成成熟的大絲束預氧纖維生產體系，規模較大、技術先進，特別是以ZOLTEK和SGL為典型代表。表2列出了國外從事大絲束預氧纖維生產的廠家，主要集中在美國、日本和德國，產能達7 200 t/年。與國內的預氧纖維相比，國外的大纖維束預氧纖維具有很大的價格優勢與市場占有率。另一方面，國外已有眾多廠家從事這一纖維下游制品的加工，產品廣泛用于軍工、航空和民用等領域，如表3所示，預氧纖維的用量正在逐年遞增。

4.2國內現狀

長期以來，為了滿足國防軍工、航空航天等領域對碳纖維的迫切需求，中國將碳纖維作為國家戰略性重點發展的新材料，一直高度重視其生產和相關課題的研究，并為此制定和頒布了一系列重大政策措施大力支持碳纖維產業的發展。而預氧纖維作為獨立的民用產品，長期沒有提進議事日程。實際上，預氧纖維對紡織應用具有至關重要的貢獻作用，預氧纖維的極限氧指數高達40%～60%，是所有纖維中最高的，用于制做煉鋼服、消防服、軍隊用防化服都是其他纖維無可比擬的。

目前，國內把PAN預氧纖維商品化并且上規模的企業很少，主要的生產企業基本都把預氧纖維作為碳纖維的配套中間產品，產品絕大多數是小絲束預氧纖維，由于小絲束原絲成本高等原因，沒有形成把預氧纖維作為商品規模化生產的成本優勢。而且由于國內為碳纖維配套的預氧纖維不能滿足紡織后加工的性能要求等原因，至今發展緩慢，尚未形成大規模商品化生產。表4中只統計了生產并把預氧絲作為產品銷售的廠家產能情況，只生產碳纖維并僅僅把碳纖維作為產品銷售的廠家未統計進去，雖然產能很大，達到上萬噸，但真正流入下游紡織加工的國產預氧纖維只有不到100 t的規模，廠家主要分布在大連、吉林、山東。

國內預氧纖維的下游應用市場發展較快，表5中列舉了5家從事PAN預氧纖維紗線、織物和氈制品的加工企業，主要集中在長三角地區，產品用作飛機座椅用防火織物，消防員、鋼鐵廠工人的防護服，工業盤根，防火毯，以及碳氈的前驅體。遺憾的是國內下游應用企業多數生產的產品低端，附加值低，沒有自主知識產權。企業以加工貿易為主，下游制品主要出口韓國、日本、美國、歐洲等地，基本成為國外用戶的加工基地，加工所用的原料PAN預氧纖維絕大部分依賴進口。而國內市場開發不足，市場用量小，飛機C/C剎車片、汽車隔音隔熱零部件、活性碳纖維面料等高端產品未有企業涉及。

5預氧纖維下游制品的開發研究

近年來，國內外的科研機構越來越重視預氧纖維下游制品的開發研究，主要圍繞著新型阻燃紡織品、C/C復合材料前驅體——預氧纖維預制體、活性碳纖維和預氧纖維復合材料展開。

阻燃面料的開發主要有兩種工藝路線：a）使用卷曲機將預氧纖維長絲卷曲短切加工成短纖，再采用棉紡工藝紡制成紗線，然后進行織造；b）使用牽切機將預氧纖維長絲拉斷成毛條，再采用毛紡工藝紡制成紗線，然后進行織造。季濤等[2]以德國SGL公司的320 K預氧纖維長絲為原料，選擇牽切、并條、粗紗、細紗、織造的工藝流程，成功織造成預氧纖維織物，測得織物的極限氧指數為47.5%，保溫率為31.52%，顯示出優異的阻燃和良好的保暖性能。張瑜等[3]以PAN預氧纖維、芳綸1414、三維中空阻燃滌綸、丙綸為原料，通過不同質量比混配針刺工藝制成多纖維交織復合氈，結果表明：當混配比為15∶50∶25∶10時，試樣的阻燃、耐磨、回彈及透氣等性能最佳，能夠滿足動車、汽車座椅內飾阻燃材料的要求。Chen等[4]開發了一種新型可提供高溫的電加熱織物，上層以芳綸纖維作為保護層，中層以導電纖維包芯紗織物作為電加熱層，下層以預氧纖維作為隔熱層。這種織物當上層保護層的溫度達到300 ℃時，下層隔熱層的溫度僅約50 ℃，可用作織物熨斗。與傳統熨斗材質相比，該織物升溫速度和降溫速度都快，可減少傳統熨斗降溫過程中事故的發生幾率。

用作C/C復合材料的前軀體，預氧纖維較碳纖維不僅具有原料成本和生產成本上的優勢，而且具有性能上的諸多優勢。繆黎麗等[5]采用自行研制的全自動多功能針刺設備生產預氧纖維預制體，經碳/碳沉積工藝得到C/C復合材料，該產品具有收縮率小，含碳量高，不分層，耐磨性能強等優良性能，并且大大降低了生產時間與制作成本。施偉等[6]以接力層疊針刺工藝制備預氧纖維整體氈，再通過碳化、酚醛樹脂浸漬、固化、樹脂碳化、石墨化處理工藝制備硬質隔熱用碳纖維整體氈，結果表明：制備得到的硬質碳纖維整體氈，主要性能明顯優于傳統軟碳氈和層間粘合固化碳氈，其密度僅為0.16 g/cm3，1 500 ℃下的高溫熱導率達到0.25 W/（m·K），壓縮強度達到0.7 MPa。謝駿等[7]以預氧纖維針刺氈為原料，通過碳化、化學氣相滲積、高溫石墨化處理制備C/C復合材料，結果表明：隨著石墨化溫度的提高，制品的石墨化度逐漸上升，彎曲強度逐漸下降。當石墨化溫度為2 200 ℃時，樣品具有較高的石墨化度，同時，彎曲強度保持在102 MPa。Hao等[8]分別用預氧纖維和碳纖維制備C/C復合材料，對比研究其制動性能，結果表明：與由碳纖維制備的C/C復合材料相比，由預氧纖維制備的C/C復合材料具有穩定的摩擦系數，摩擦曲線和制動條件下可接受的磨損損失，展示出優異的制動性能。

聚丙烯腈基活性碳纖維具有獨特的吸附性能，應用廣泛，作為預氧纖維的深加工產品，其生產工藝技術一直是諸多學者的研究熱點。余陽等[9]以PAN預氧納米纖維氈為原料，水蒸氣為活化劑，采用微波碳化、活化法制備活性納米碳纖維，結果表明：微波碳化、活化法可大幅縮短制備活性納米碳纖維的工藝時間，制品以微孔為主。當微波功率4 kW，水蒸氣流量4 mL/min，活化時間4 min時，制品的比表面積達1 107.4 m2/g，苯酚吸附值達428.1 mg/g，活化收率達47.2%。Lin等[10]以預氧纖維織物為原料，分別采用傳統化學活化、傳統物理活化和改良化學活化來制備多孔型活性碳纖維，樣品經各種高溫處理后被用作超級電容器的電極。結果表明：先經20% （wt）室溫下浸漬1/3 h，再在900 ℃水蒸氣中活化的改良化學活化法制備的樣品，較其他兩種傳統活化法具有更高的比電容（1M H2SO4電解液中173F/g）和更高的放電電容（180 F/g），展示出優異的充放電性能，有望成為超級容器產業化中極有前景的電極材料。

朱登偉等[11]將PAN基預氧纖維粉添加到中間相瀝青中，經高溫自發泡、碳化、石墨化工藝制備泡沫炭，結果表明：預氧纖維粉對泡沫炭具有明顯增強作用，當預氧纖維粉添加量為2%時，泡沫炭密度和抗壓強度達到最大值，分別為0.78 g/cm3和7.7 MPa。Ebrahimnezhad等[12]研究預氧纖維和碳纖維混雜增強環氧樹脂復合材料的熱性能和機械性能，結果表明：隨著預氧纖維/碳纖維配比的增加，復合材料的拉伸強度和彈性模量逐漸降低，而斷裂伸長率和阻燃性能逐漸提高。復合材料的最大失重率發生在370.6 ℃。

6結語

近年來，隨著火災事故的頻發與人們保護意識的加強，國內對阻燃纖維尤其是預氧纖維產品的需求是迫切的。目前，中國軍機正處在由三代向四代過渡的更新換代時期，加之伴隨著國產大飛機的商業化和國內航空市場的快速發展，飛機C/C剎車片的需求將會放量。而國內預氧纖維產業正處于起步階段，在生產和產品開發上與國外均有較大差距，生產上以小規模、小絲束為主，下游產品以預氧廢絲為原料的低端制品為主，因此，要重點跟蹤國內外預氧纖維及其制品開發的最新進展，充分借鑒國外預氧纖維產業發展的成功經驗，著力重視和加快低成本大絲束預氧纖維的生產和C/C剎車片等諸多高端下游制品的研究、開發與應用，增強中國預氧纖維產品的國際競爭力。

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