高性能纤维的研究与发展现状一、高性能纤维定义高性能纤维是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有 特殊功能的化学纤维，具有耐强腐蚀、低磨损、耐高温、耐辐射、 抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、反渗透、高效过滤、吸 附、离子交换、导光、导电以及多种医学功能，主要应用于工业、 国防、医疗、环境保护和尖端科学各方面。二、高性能纤维分类高性能纤维按性能可分为耐腐蚀性纤维、耐高温纤维、抗燃纤 维、高强度高模量纤维、和弹性体纤维等。 耐腐蚀纤维：即含氟纤维。有聚四氟乙烯纤维、四氟乙烯 一六氟丙烯共聚纤维、聚偏氯乙烯纤维、乙烯-三氟氯乙烯共聚纤 维等. 耐高温纤维：有聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚酰亚胺纤 维、聚苯砜酰胺纤维、聚酰胺酰亚胺纤维、聚苯并咪唑纤维等。 抗燃纤维：有酚醛纤维、芳香族聚酰胺表面化学处理纤维、 金属螯合纤维、聚丙烯腈预氧化纤维等。 高强度高模量纤维：有聚苯二甲酰对苯二胺纤维、芳香族聚 酰胺共聚纤维、杂环族聚酰胺纤维、碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤 维等。 功能纤维:有中空纤维半透膜、活性碳纤维、超细纤维毡、吸油 纤维毡、光导纤维、导电纤维等。 弹性体纤维：有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维、聚丙烯 酸酯类纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维等.三、高性能纤维主要产品及发展现状按照合成的原料不同，高性能纤维主要分为碳纤维、芳纶纤 维、特殊玻璃纤维、超高分子聚乙烯纤维等，其中碳纤维、芳纶纤 维、超高分子量聚乙烯纤维是当今世界三大高性能纤维.(一) 高性能纤维之一：碳纤维1、简介碳纤维是含碳量在9 5%以上的新型高性能纤维，可用来替代 铜、钢铁等金属。它是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微 晶石墨材料。其中聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是当今世界碳纤维发 展的主流，占世界碳纤维市场的9 0%以上。碳纤维比重不到钢的1 / 4,抗拉是钢的7-9倍，具有轻质高 强、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特 性，属典型的高新技术产品。目前成熟市场有航空航天及国防领域 和体育休闲用品；新兴市场有隔热保温、增强塑料、压力容器、建 筑加固、风力发电、摩擦材料、钻井平台等；待开发市场有汽车、 医疗器械、新能源等。2、全球碳纤维概况国际上PAN基碳纤维的生产，从20世纪60年代起步，经过 708 0年代的稳定,90年代的飞速发展，到21世纪初其生产工 艺技术已经成熟。起初，碳纤维主要用于军工和宇航，经过40余 年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大.根据“2010美国碳纤维会议数据显示,20 10年航空航天 业用量为63 90吨，预计到20 14年将增至11550吨，增幅约 为80% ; 2010 年消费品和娱乐业用量为7 0 0 0吨，预计到 2 014年将增至8 8 4 0吨，增幅约为2 6。3%;2010年 能源和工业用量为25850吨，预计到20 14年将增至58870 吨，增幅为12 8%,年复合增长率为22.8 5%.其中碳纤维在工 业能源领域应用占比将从6 5。88%提高至7 4.3 2%。由于碳纤维生产工艺复杂、技术含量高，加之政治因素限制技 术和设备等引进，目前全球碳纤维技术和生产仍主要控制在日本和 美国手中。全球可实现碳纤维产业化的国家和地区不足20个； 规模化生产企业不超过12家.日本东丽、日本东邦、美国卓尔泰 克、日本三菱丽阳是全球碳纤维产能排名前四的生产商，这四家分 别占全球碳纤维总产能的2 3。4%、17.1%、14。3%和1 0.3%。3、国内碳纤维情况国内碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段。目前国内碳纤维市 场需求旺盛，因产能和技术瓶颈，碳纤维需求基本依赖进口。据统 计,2008年国内聚丙烯腈基碳纤维产量不到5 00吨，进口量约 6000吨。2 009年，国内碳纤维的需求总量已超过8000 吨, 实际碳纤维产量仅900多吨，进口依赖率高达83o9%,2 0 1 0年国内碳纤维需求达到1万吨，国内碳纤维生产企业有23 家，主要有威海拓展纤维有限公司、吉林神舟碳纤维公司、山东天 泰新材料股份有限公司、浙江嘉兴中宝碳纤维有限公司等，总产能 为4 0 00吨，同时随着油价高涨，节能概念与减碳环保意识抬 头，碳纤维材料因具有轻、强之特性，将使得其在新兴产业的需求 量将不断增长，国内碳纤维进口替代空间较大.（二）高性瞄维之二:芳纶纤维1、简介芳纶全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，是一种新型高科技， 具有超高强度、高和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强 度是的56倍，模量为钢丝或的23倍,韧性是钢丝的2 倍，而重量仅为钢丝的1/ 5左右，在5 60度的温度下，不分解， 不融化,它具有良好的绝缘性和抗老化性能，广泛应用于国防、航 空航天、信息通讯、轮胎、体育用品、传送带、高强绳索等领域。芳纶纤维主要有两大类:芳纶纤维主要分为对位芳酰胺纤维（P PTA,或芳纶1414）和间位芳酰胺纤维（PMIA,或芳纶13 1 3）。芳纶13 13具有突出的耐高温、阻燃和绝缘性，成为高性 能纤维，主要应用于高温防护服、电绝缘和高温过滤等领域。芳纶1414则具有高强度高模量的特点，素有高分子材料中的“百变 金刚”，主要应用于个体防护、防弹装甲、力学橡胶制品(MRG)、 高强缆绳、石棉替代品. 芳纶1313工艺：一步法工艺，即低温溶液间歇聚合，原液经过过滤后直 接进行湿法纺丝，水洗后干燥，切断后打包。性能：耐高温:分解温度37KC ；阻燃性：极限氧指数29;断裂 强度：4 -5 g/d ;初始模量：60-120g/d。用途:高温过滤材料;绝缘材料;消防服、赛车服;高温传送带. 芳纶1414工艺:两步法工艺，低温溶液连续聚合，聚合物分离后洗涤干 燥后用浓硫酸重新溶解，干喷湿法纺丝，纤维经过水洗后干燥，卷 绕成形。性能：耐高温：分解温度500C ；阻燃性：极限氧指数3 2 ;高 强度：断裂强度20 27g/d;高模量：初始模量600800 g/d。用途：个体防护：用于制作防割手套、耐高温服装、防弹衣、 防弹头盔等；增强材料：主要包括建筑桥梁维修补强、光缆增强、 高强度缆绳、轮胎帘子布、轮胎增强等；复合材料:主要包括大飞 机二次结构、飞机驾驶舱、发动机罩、雷达罩、天线、游艇船舶、 汽车外壳等;摩擦密封材料:主要包括刹车片、离合器片、变速箱摩 擦片、密封垫/片等，逐步取代有致癌性的石棉材料;体育器材领 域：用于制作登山鞋靴、赛车车体、滑雪板、高尔夫球杆等.2、全球芳纶纤维概况自20世纪60年代由美国杜邦(DuPont )公司成功地开发出 芳纶纤维并率先产业化后，在4 0多年的时间里，芳纶纤维走过了由 军用战略物资向民用物资过渡的历程.全球芳纶生产能力约10.6万吨，其中间位芳纶的产能约为 3 . 83万吨:美国杜邦公司年产能为28000吨，烟台氨纶集团5 0 00吨，日本帝人公司2 3 00吨，上海圣欧公司2000吨，广东 彩艳公司1000吨；全球有5家公司实现对位芳纶产业化，总产能 约6.8万吨：美国杜邦公司年产32000吨，日本帝人公司3 20 0 0吨，韩国可隆公司200。吨，俄罗斯卡明斯克公司1000 吨，韩国晓星公司10 0。吨，烟台氨纶集团100吨.3、国内芳纶纤维概况芳纶纤维用途由于涉及到军工、航天等领域，长期以来国内进 口相关产品和生产技术都受到国夕卜封锁和限制。中国从20世纪6 0年代初开始研究开发间位芳纶生产技术，直到2 004年，烟台 氨纶在国内率先实现间位芳纶的工业化生产，打破了国夕卜公司垄断 的局面；在对位芳纶生产领域，烟台氨纶芳纶1414技术已通过 “芳纶1414长丝及浆粕中试技术的研究与开发项目通过技术鉴 定，填补了国内空白,达到世界先进水平。芳纶1313-国内高端需求市场潜力较大。目前国内芳纶1313的需求主要集中在高温滤料，高温滤料主要用于袋式除尘器,占比为58%,而芳纶1313在高端的防护服装和芳纶纸领域占比 较小，国际芳纶1313在防护领域的需求比例达30%,而国内 仅为13%。芳纶纸占比为7%,而国际芳纶纸在电气绝缘纸和蜂窝 材料领域的需求比例则分别为3 8%和9%。芳纶1313在防护领域、芳纶纸应用领域需求市场潜力较大。芳纶1414-国内依靠进口，供给是关键。从需求结构来看，光 缆增强材料、子午线轮胎骨架是国内芳纶1414民用需求的主要领 域，在军用和航空航天领域的需求为5 0%以上。随着世界经济和科技的快速发展，对位芳纶的用途不断扩展，尤其在复合材料、轮 胎橡胶、建筑和电子通讯领域的应用进展显著.最近几年全球对位 芳纶消耗量年增长率超过10%,所以全球对位芳纶的供应仍处于十 分紧缺的状态，预计到2015年，国内需求将达到15 0 00吨，市场前景广阔。（三）高性瞄维之三:超高分子聚乙烯纤维1、简介超高分子量聚乙烯纤维（简称UHMWPE），又称高强高模聚乙 烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，是分子量在10 0万500万的聚乙烯所纺出的纤维，是世界上最坚韧的纤维。与碳纤维、芳纶纤维相比较，超高分子量聚乙烯纤维的强度更 高，重量更轻，化学稳定性更好。在国防军需装备方面，由于耐冲 击性能好，比能量吸收大以及轻柔的优点，防弹效果优于芳纶，现已 成为占领美国防弹背心市场的主要纤维,另夕卜超高分子量聚乙烯纤 维复合材料的比弹击载荷值是钢的10倍，是玻璃纤维和芳纶纤 维的2倍多。2、用途由于高性能聚乙烯纤维具有诸多优点,所以应用范围较大：1）渔业与海洋缆绳。目前，利用高性能聚乙烯纤维制作的渔 网，仅为普通纤维渔网重量的6 0%，能够提高捕捞效率，减少渔船 能耗。用该纤维制作的深海养殖网箱，其良好的性能能防止食肉鱼 对鱼类的猎杀，有效降低养殖。2）防冲击吸能领域的安全防护。高性能聚乙烯纤维与树脂复 合材料具有良好的韧性，因此在防冲击吸能领域具有非常好的应 用。例如用于制作避弹衣、头盔、复合装甲等；用于安全生产的防 切割手套、护具、防冲击板材等；用于高危下的防冲击护具，如警 用防刺服、矿工防砸头盔等。3）军事国防.高性能聚乙烯纤维介电常数低、电信号失真小、 透射系数高，是用于雷制作高性能轻质雷达罩的首选材料;高性能 聚乙烯纤维复合材料质轻、耐冲击，适用做于飞机一些非高温部位 的金属替代材料，现在飞机翼尖等领域有所使用;在轻质装甲方面， 高性能聚乙烯纤维可用于直升机防护装甲、坦克装甲、装甲车装甲 等，有很好的应用前景。4 ）体育用品。利用高性能聚乙烯纤维复合材料的高比强度和 比模量、韧性和损伤容限好等特点制成的运动器械，重量轻且结实 耐用。市场上已经有网球拍、滑雪板、冲浪板等体育用品的骨架材 料是由其制作的，并且以其优良的性能，赢得了使用者的喜爱。5）医用高分子材料.高性能聚乙烯纤维具有较好的生物相容性 和化学稳定性好，一般不会引起人体的过敏反应和生物排斥反应。 可以用作牙科用丝线、医用移植线、牙托材料、人造韧带等方面。3、全球超高分子聚乙烯纤维概况高强聚乙烯纤维是2。世纪70年代由英国利兹大学的Ca p ac c io和Ward首先研制成功,当时所用的聚乙烯分子量只有10万。 此后荷兰DSM公司利用十氢奈做溶剂发明了凝胶纺丝法，制备出 了超高分子量聚乙烯纤维，并于19 7 9年申请了专利,1990年实 现了工业化生产。美国的联合信号公司购买了荷兰专利，把溶剂换 成了矿物油伸报了自己的专利，于1988年实现了商业化生产。超高分子量聚乙烯纤维自商业化生产以来，一直在迅速发展。 美国发生恐怖事件和世界不断发生局部战争以来，防弹衣料和军需 装备用超高分子量聚乙烯纤维的需求迅速扩大。同样在民用领域， 超高分子量聚乙烯纤维产品以其优良的性能，迅速成为海上用绳 缆、远洋渔网和海上网箱等的主要材料，其