高性能纖維的發展現狀及展望

白瓊瓊

(中國紡織工程學會，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、阻燃等優良特性[1]的纖維材料，其品種繁多，被廣泛應用于生物醫藥、建筑、土工織物、航空航天和電子等領域。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、結晶具備優異的力學性能，另一類是分子中含有大量芳環或芳雜環的剛性鏈分子賦予纖維優異的力學性能、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，目前主要發展方向為纖維增強鋁基、鈦基、鎂基復合材料和金屬層狀復合材料。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用領域，闡述高性能纖維市場現狀，最后指出存在問題并展望了其發展前景等。

1 主要高性能纖維的性能和應用

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預氧化、低溫碳化、高溫碳化、石墨化等一系列物理化學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%)，優良的耐高溫、抗蠕變、導熱、導電、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紡絲制得，其大分子主鏈是由酰胺鍵和芳香環交替連接組成的長鏈結構。芳綸產品形式多樣，應用較多，已經實現工業化生產的芳綸產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縮聚紡絲制得的合成纖維。苯環與酰胺基團的共軛效應決定了對位芳綸高強度、高模量的優異性能(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異的耐磨性、耐切割性和防彈性能。對位芳綸各項優異性能使其主要應用于防彈、光纜、繩纜、體育用品、汽車等領域。對位芳綸的全球需求領域及占比主要為：安全防護和車用摩擦材料領域，各占約30%；保護增強光學纖維領域約占15%；輪胎領域約占10%；橡膠增強領域約占10%等。我國對位芳綸的主要應用領域是：光纖增強領域約占40%、安全防護領域約占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。鑒于其優異的阻燃、耐高溫、絕緣和化學穩定性等，間位芳綸被廣泛應用于航空航天、高速列車、消防服、作訓服、耐熱工裝、大氣環保、工業耐溫材料、汽車膠管、高級音響彈波、電氣絕緣等領域。間位芳綸的全球需求領域及占比主要為：電氣絕緣紙領域約占34%，安全防護領域約占29%，高溫過濾材料領域約占20%，電氣設備領域約占11%和橡膠增強領域約占6%等領域。我國間位芳綸主要應用于相對低端的高溫過濾材料領域約占63%，其次是安全防護領域約占26%，絕緣紙領域約占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、堿和一般的化學試劑腐蝕能力，優異的耐熱、耐光老化等環境穩定性能，以及塑料中最高的耐沖擊強度。

基于其眾多的優異性能，超高分子量聚乙烯纖維主要被應用于防彈裝甲與防彈衣、航空母艦、新型戰機、電纜罩、輕質應急路面、跨海大橋、防切割和導熱性紡織品等領域。

1.4 聚苯硫醚纖維

聚苯硫醚(PPS)纖維是指分子主鏈結構為苯基與硫基交替連接的一類熱塑性聚合物經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))。其獨特的分子結構使聚苯硫醚材料具有很多優異性能，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，增強改性后可達到12.6 GPa。其耐熱性能優異，短期耐熱可以達到260 ℃，且能在200～240 ℃下長期使用。聚苯硫醚纖維的介電常數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變化較小。另外，其還具有吸水率較低、阻燃性較好、耐化學腐蝕性較好等特性[10-11]。

聚苯硫醚纖維主要用作熱空氣或腐蝕性介質的過濾材料，其單絲或復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結構的一類聚合物經溶液紡絲而制得的纖維，其分子鏈的芳雜環結構與碳氧雙鍵產生共軛效應，使主鏈分子間鍵能變大，表現出高強(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穩定性，能夠經受強酸的腐蝕；在經一定強度電子照射后，其性能還能保持在90%左右，遠遠超過其他纖維；聚酰亞胺纖維的極限氧指數在35%～75%之間，其發煙率比較低，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，聚合物結構非常豐富，對應于性能和功能不同的纖維品種，具有更大的應用范圍。這些品種在聚合物制備、纖維成形等方面有很多共性問題，有利于實現多品種的開發。

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

2 我國高性能纖維的市場現狀

2.1 碳纖維

我國是碳纖維消耗大國，近年來隨著相關企業研發生產的大量投入擴張，碳纖維自給率不斷提高，但是仍然供不應求，有很大的市場空間。據《2019全球碳纖維復合材料市場報告》公布的數據顯示：2019年，全球碳纖維理論產能15.49萬t，需求量為11.70萬t。2019年中國碳纖維需求量達3.78 萬t，運行產能為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/產能比為45%，距離國際通常的產能比在65%～85%還有些差距[15]。目前全球高端碳纖維產能處于被日本和美國壟斷的狀態,2019年，日本東麗碳纖維產能高達5.4萬t,隨著我國碳纖維技術的發展，我國的民族企業中國藍星和中國光威產能可觀，其中藍星的產能在2019年實現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產能排第三[16]。據報道[17]，我國已攻克T-1000級碳纖維技術，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，中復神鷹、光威復材、吉林精功集團、蘭州藍星碳纖維和上海石化等企業宣布擴產計劃并且都在按計劃實施，今后幾年產能將逐漸釋放，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能合計約6.15萬t/年，占全球產能49.9%，且在產品型號、性能、應用范圍等方面處于領先地位。2018年全球芳綸產能約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；產能利用率較高，供應緊張。中國芳綸纖維產業起步較晚，但發展較快，不僅成功地實現了間位芳綸短纖的產業化，而且在長絲以及對位芳綸領域取得了突破性進展。2018年我國芳綸纖維產能約1.43萬t，其中，對位芳綸產能0.23萬t，間位芳綸產能1.2萬t。2018年我國芳綸纖維行業產量1.069萬t，進口量約0.339萬t，出口量約0.228 9萬t，芳綸纖維行業需求量約1.179 1萬t[18]。

雖然我國芳綸行業取得了很大的發展，但由于行業發展較晚且生產技術相對落后，我國間位芳綸已有過剩趨勢，低端產品市場競爭激烈，而對位芳綸生產裝置尚不成熟，僅泰和新材料公司生產線較穩定，因此市場供不應求，進口依存度超過70%，且對位芳綸工業化技術仍有短板，產品與美日差距較大，高端應用領域仍大量依賴進口[19]。

2.3 超高分子量聚乙烯纖維

UHMWPE纖維的國外市場主要應用于高端領域。有關文獻[20]顯示：2019年全球超高分子量聚乙烯纖維的產能達到6.46萬t，需求量達到約8.6萬t。預計，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，仍處于供不應求階段。我國超高分子量聚乙烯纖維產業化時間較晚，但是發展速度很快，已成為生產大國。2019年，我國超高分子量聚乙烯纖維行業總產能約4.10萬t，占全球總產能的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用領域來看，2019年，我國軍事裝備領域應用的超高分子量聚乙烯纖維占比約為25.78%，海洋產業領域應用的超高分子量聚乙烯纖維占比約為24.82%，安全防護領域應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技術已有一定積累，但是還是存在生產技術水平較低、產品品類較少、高端產品與國際存在差距等問題。2018年，全球主要的聚苯硫醚生產企業有：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%、日本吳羽化學公司約占6.8%、浙江新和成股份有限公司約占9.6%等，年產能均高達15萬t以上。國內具備穩定生產能力的只有浙江新和成、重慶聚獅約占全球份額的6.4%，以及內蒙古磐迅和珠海長先2家新投產的企業，其中新和成、重慶聚獅是未來有可能跨入全球聚苯硫醚產能前五的國內企業[21]。2018年中國聚苯硫醚產量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，中國商務部決定，從2020年10月17日起對原產自美、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品價格，使得國內企業產品性價比提升，在國內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業的發展。

2.5 聚酰亞胺纖維

最早開發聚酰亞胺纖維的是美國和日本，但目前真正實現產業化生產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的產能為約為0.14萬t/年，長春高琦產能約為540 t/年[23]。我國聚酰亞胺纖維年產能約為0.3萬t，濕法和干法2種生產工藝均實現千噸級產業化生產規模。此外，繼2017年由北京化工大學、江蘇先諾新材料科技有限公司的創新團隊研制成功全球首條年產30 t規模高強高模聚酰亞胺纖維生產線后，2018年又建成百噸級生產線，2019、2020年幾條年產百噸甚至千噸級生產線投產[24]。但由于在環保材料、阻燃材料等領域，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 結束語

我國高性能纖維總體發展緩慢，基礎研發投入力度不夠，多數品種未形成規模化的生產能力，仍處于產業化的初級階段，整體技術水平的差距較大。近年來雖然在一些高性能產品上有所突破：T-1000級碳纖維技術被攻克；間位芳綸產品技術已達到國際先進水平，競爭力有所提高；超高分子量聚乙烯纖維雖然產業化時間晚，但是發展速度很快，也成為生產大國，現已呈現貿易順差，出口遠大于進口；聚苯硫醚生產正處于快速增長期，研發力度大，已形成一定規模的生產能力，打破了完全依賴進口的狀況。但是，由于巨大的市場需求，我國高性能纖維產量還是嚴重不足，需要進口；同時高性能纖維產品在生產工藝、產品質量、副產物回收再利用、低成本方面與世界先進水平還有一定差距，還需要加大研發投入，優化生產工藝，降低成本。