中国主要高性能纤维前景分析

中国主要高性能纤维前景分析Prospective Analysis of Main High Performance Fibers in China
罗益锋
全国特种合成纤维信息中心主任
中国化纤协会高新技术纤维专业委员会副主任
前言
•目前我国四大类高性能纤维（耐强腐蚀性、耐高温、抗燃和高强高模纤维）的基本品种已实现产业化，其代表品种分别为聚四氟乙烯、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚苯硫醚、密胺、聚丙烯腈预氧化纤维、碳纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺、超高分子量聚乙烯和玄武岩纤维等。

•在高强高模纤维中，已经产业化的有六种，正在研制的约有10种。

•其中的重要品包括聚丙烯腈基碳纤维、对位芳酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和玄武岩纤维发展极不平衡，前两种与国外差距甚大，而后两种已具有国际竞争力，但共同的弱点是重复建设严重，形不成有强大实力的企业。

•我国正快速成为高性能纤维不容忽视的大市场，而全球节能环保的大趋势，将成为进一步推动高性能纤维大发展的动力，而高性能纤维品种的进一步扩大和质量的不断提高，势将牵动诸多产业换代升级，进而推动“四个现代化”的早日实现。

一、国内外基本概况
1．聚丙烯腈基碳纤维（PAN-based carbon fiber）（PAN-CF）
•目前全球除中国大陆外共有9家PAN-CF生产厂，分别为日本东丽集团（总产能17900t/a）、东邦Tenax集团（13500t/a）、三菱丽阳集团（8100t/a）、美国Hexcel（7000t/a）、Cytec （4000t/a）、ZOLTEK集团（17000t/a）、德国SGL集团
（7000t/a）、中国台塑（7450t/a）、土耳其AKSA
（1500t/a）。

•我国2010年底已建成和正在兴建的大小PAN-CF厂有30余家，其中已建成的千吨级厂约有4～5家，最大产能为2000t/a，分别为连云港中复神鹰和威海拓展纤维有限公司。

•到2013年预计建成的百吨级以上PAN-CF厂有近40家，其中千吨级的厂家可望达到20家，5000t/a的占3～4家。

•国外单套最低经济规模为1800～2000t/a，经济规模为2800 ～3000t/a，我国为500 ～750t/a。

•在品种方面，东丽拥有高强型T300～T1000、高模型M40～M50、高强高模型M40J～M65J等约20种产品。

•我国目前只有T300、T400和低于T300的品种，并拥有大丝束（48K以上）和小丝束（1K～24K）碳纤维。

现实验室小试至少有三家已突破T700和T800的关键技术，正在中试或百吨线上做试验。

•预期到2015年我国将配齐所需的品种，到2020年具备国际竞争力，并可望成为世界PAN-CF 生产大国。

•在工艺技术方面，到2012年前后我国的PAN 原丝的工艺技术路线，有DMSO 、DMAC 、DMF 、NaSCN 法，唯独没有ZnCl 2路线。

聚合有水相聚合、溶液连续聚合和间歇聚合，纺丝有湿纺和干喷-湿纺，绕丝速度40～200m/min 。

•碳化工艺大同小异，但有些厂家采购美国、英国、德国和中国台湾的设备，而有些厂家采用全国产设备，但最终都要实现国产化。

•为应对以中国为首的新兴国家的崛起，国外公司纷纷开发更高端的新产品、提高生产效率和降低生产成本，以保持其领先地位。

东邦Tenax 将生产效率提高30%，并开发超薄型预浸料，三菱丽阳新上市的50K 和80K 碳纤维强度达到T700（4.9GPa ）水平，东丽发表的新专利，PAN 原丝可实现高速纺（上千m/min 的卷绕速度），碳化后最高强度8.2Gpa ，模量325Gpa ，同时通过采用微波和等离子体加热，使预氧化时间缩短2/3，Hexcel 通过四道温度渐高而张力逐低的预氧化设备，可烧出强度高达8.04Gpa 、模量333Gpa 的PAN-CF 。

2.对位芳酰胺纤维（para-Aramid fiber）（P-AF）
•该纤维是我国与国外差距最大的品种，美国杜邦和日本帝人的总产能各接近3万t/a，今年总产量约4～4.5万t，到2018年预计将各达到5万t/a的规模，韩国Kolon和晓星各有1000t/a的生产装置。

•我国目前至少有9家研发和生产该纤维的厂家（产量不足百吨）及一家P-AF浆粕厂（300t/a），正在建设1000t/a生产线的厂家有4～5家，预期到2012年将扩大至8家，到2020年前4家的产能可望各达到10000t/a。

•在品种方面，杜邦有十几种，包括Kevlar29、49、68、100、119、129和149，形态有长丝、短纤维、浆粕、短切纤维、研磨纤维等，而我国目前只有3个品种。

•在工艺技术方面，杜邦的干喷-湿纺速度高达850m/min，帝人约为600m/min，我国为200～400m/min。

•在芳杂环类聚酰胺共聚纤维（芳纶Ⅲ）方面，俄罗斯有4个品种（SVM、Armos、Rusar和Artec），而我国只有相当于
Armos的产品，由5家研发和小批量生产，产能各为50～
100t/a，而俄罗斯已达到达1000t/a，Rusar我国正在研发之中。

3．超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）纤维（Ultra high molecular weight polyethylene fiber）
•目前全球只有荷兰帝斯曼（DSM）、日本东洋纺（Nippon Dyneema）和美国Honeywell三家公司生产，产能各为9000t、2400t和2000t/a。

•该纤维是我国目前具有国际竞争力的高强高模纤维，多数公司拥有多项专利。

•到2010年底全国生产厂家共有21家，正新建的三家，年需求量约为4100～4300t。

•2011年达到千t/a级的厂家约有10家，到2012年约有13家。

•我国单套生产线最大产能为400t/a，国外约800t/a，最近我国盐城三泰科技有限公司已可制备1500t/a的生产线。

•目前国外只有荷兰DSM、日本东洋纺和美国Honeywell三家公司生产，产能各为10000、2400和2000t/a。

世界总需求量约15000t。

•今年我国首套国产UHMWPE纤维生产线及其专利出口发达国家，实现了历史性的突破。

•在产品质量方面，我国的纤维强度最高为35cN/dtex，而国外高达37cN/dtex。

•在工艺技术路线方面，我国大都采用以白油为溶剂的凝胶纺丝法，唯有仪征化纤公司选用干纺路线。

•荷、日两公司均完成了由凝胶纺丝法向干纺的过渡，美国公司仍采用凝胶纺丝法。

4．玄武岩纤维（Baslt fiber）（BSF）
•该纤维是我国居国际先进水平的品种，拥有多项发明专利。

•现我国有11家生产厂，另一家正在筹建，总产能约7000t/a，到2012年可望达到2～3万t/a。

•国外有十几个国家生产该纤维，其中乌克兰和俄罗斯是最早产业化的，现总产能各为2000t/a左右。

•在工艺技术路线方面，国内外总体上大同小异，唯有浙江石金玄武岩纤维有限公司采用电炉法，属国际首创。

•纤维强度与模量均高于S玻纤，奥地利的生产技术可实现成本低于E玻纤，我国正在努力实现节能化和规模化。

二、节能环保的大趋势和战略性新兴产业的快速发展，是推动今
后高性能纤维大发展的强劲动力
1．新一代汽车
•美国2002～2011年汽车轻量化、环保化和节能化的计划，推动了世界主要汽车生产厂家与碳纤维等厂家联手打造新一代混合动力和电动汽车。

•我国已成为世界最大汽车生产国和消费国，CFRP汽车的研发刚起步，比亚迪计划采用熔喷法中间相沥青碳纤维毡,而我国新一代“保时捷”车将选用PAN-CF复合材料。

•汽车车体的CFRP成型技术，三菱丽阳、东丽和东邦Tenax的成型时间各为5、3、1min。

我国除自行研发外，还可能与国外厂家合作开发，到2015年CF用量可望达到数百t。

•韩国首尔的市区的旅游大巴现有15辆采用全CFRP材料，自2011～2020年市区CFRP公共汽车将占50%，约为3800辆。

•在轮胎方面，法国米其林的P-AF子午胎生产线，年消耗P-AF 1000t，由于轻量和滚动阻力小，可进一步节能，而我国目前全是钢丝胎，P-AF胎正在研发中。

2．大型飞机
•B-787采用35t CFRP材料，A-380采用40t CFRP，可减重和节能各20%。

表2示出波音飞机使用CFRP演革。

•德国航空货柜厂家Dokasch已生产400箱UHMWPE纤维复合材料柜，抗冲击强度为铝制品的3倍，而质量只有其1/2，可使飞机每
，相当于8500辆汽车的排放量，我国今后也年少排放2.8万t CO
2
将研发。

3．高速列车
•我国高速列车已跃居世界领先水平，但在复合材料及保温材料方面有待进一步改进。

•韩国自2002～2011年将投资8500万美元，实现火车车厢的CFRP化。

•国外的高速列车车头的流线型抛物面是用P-AF复合材料制的，我国则试用CFRP材料。

•今后车厢的保温材料也将逐步跟随国外的经验，选用较廉价的通用级沥青碳纤维针刺毡。

4．船舶
•在西方国家航运船舶及商用双体船，已成功使用CFRP船体、底板、甲板纵梁盖板及其它超结构，可节能20%，选用较小的引擎。

我国尚未研发，目前仅用于赛艇等，但今后有较大的潜在需求。

5．能源领域
5.1 传统能源
•我国是煤炭生产大国，目前已研制成功用CF及UHMWPE纤维混杂复合材料制的输送机刮板及耐磨板取代钢制品，，可使使用寿命由1个月延至1.5年。

今后两种纤维的年需求量将各为数千t/a和近千t/a。

•我国的平均油井深度约2000m，若用CFRP杆取代钢制品，就需400kgCF，寿命可延长8倍左右，仅中石油系统就拥有30万口井，若今后10%改为CFRP，共需12000t CF。

•全球深海油田已占海底油田的9%，到2015年将增至25%，对3000m的立式轴油管就需60t CF，每个钻井平台至少有20个立管，就需1200t CF，加上防止平台随浪颠簸的脐带式系
CFRP拉杆和截留管，需求量可达2000余t。

我国大都靠进
口，十二五期间将开始研发。

5.2 可再生新能源
•2010年全球CFRP大型风电叶片将占各种叶片增强材料的8%，到2012年预计将扩大至10～11%，约需7500t CF，到2014年将增至14500t CF。

我国中复连众公司正在试制大型CFRP、GFRP混杂叶片，实践证明其发电量、刚性和耐疲劳性皆比GFRP制品优越得多，质量轻30%。

•我国小型（500～5000W）风电机组已畅销美欧亚诸国，供不应求，其叶片便采用CFRP加强筋。

•大型太阳能板在国外已用CFRP材料，我国尚未使用，而制造多晶硅和单晶硅的高温炉保温材料，皆采用通用级沥青碳纤维的针刺毡，目前皆由日本吴羽化学公司提供，今后迟早要国产化。

•汽车用CFRP压缩天然气瓶已在我国许多公共汽车使用。

在美国20%～25%城际公共汽车已采用CFRP的CNG瓶，每120L 瓶需20～22kgCF，每辆车有4～8个瓶，而500L的CNG储罐需1600kgCF，全球需求量约3000t。

此后将以15%的年增长率增长，到2014年约需5000t CF。

5.3 新型蓄电池
•在日本锂离子电池的负极材料有采用通用级沥青碳纤维制的，也有的公司用于阳极材料，我国尚未使用。

•大能量密度的钠硫电池，在日本选用PAN预氧化纤维的电池隔膜，上海硅酸盐研究所开发该电池。

•美国已使用CFRP高速飞轮磁悬浮储能装置，我国至少有3家正在研发。

•燃料电池的扩散层，日本采用致密的CF织物，而燃料电池汽车所用高压氢气瓶须采用CFRP，储氢装置要用碳纳米管
（CNT），这方面我国正在研发。

6. 高压输电线张力芯材
•我国高压输电线正面临大规模改造，以提高输电量、降低能耗、减少50%铁塔数和所占土地，满足新能源上网的需求，因此须用CFRP芯材取代原钢丝芯。

•迄今为止我国所用CFRP芯材的输电线路已长达数千km，不久将突破1万km。

•采用六束加捻CF丝束的合捻张力元件作为输电线芯材，在四川地区正在试用。

7. 半导体照明（LED）
•我国已成为使用LED节能灯的大国，但其散热问题尚有改进的空间，当其支架采用高导热的CFRP材料时，寿命可望延长4～5年。

8．应对大气污染
•为应对钢厂、水泥厂、电厂等燃煤锅炉的高温粉尘的污染，我国已大量使用袋式除尘器。

•所用材质有m-AF、PPS、PTFE、芳砜纶、聚噁二唑和聚亚酰胺（P84）的针刺毡，除P84外其它耐高温纤维均已国产化，但市场占有率仍由进口品掌控。

三、应对反恐和自然灾害
1．反恐装备
•国产UHMWPE纤维已大量用于防弹板、防弹衣和头盔等，仅宁波大成新材料公司的产品就已出口50多个国家和地区。

•P-AF的防弹产品，目前主要使用杜邦的Kevlar，其次是帝人的Twaron，国产品刚开始研制。

•北欧国家的边防雪地摩托滑板已采用P-AF复合材料，实现了快速和节能，我国有待开发。

2．应对第五期地震活跃期
•我国建筑结构物的加固，现主要采用单向CF片材，P-AF织物及片材仅开始试用，UHMWPE纤维尚未试用。

•高速公路重要路段及桥面等的加固，目前正推广采用较廉价的玄武岩纤维。

3．应对气候变化引发的自然灾害
•近几年台风、水灾、山体滑坡和泥石流等自然灾害，给我国造成巨额经济损失，需开展地质普查，除多种植树林外，有些地段需要使用大量的玻纤、玄武岩纤维及碳纤维的格栅或网格进行加固。

•在水产养殖方面，采用尼龙丝的网箱根本经不起七级以上台风的侵袭，往往造成上亿元的经济损失，因此需改用超强聚乙烯纤维的大面积网箱，虽然造价高些，但安全保险。

结束语
仅由以上三方面应用领域，就足见四大高性能纤维的发展前景十分广阔，其中CF和P-AF细分各有近200种用途，而且随着价格的不断下降，还会开阔新的应用领域。

四种纤维的发展目标如下：
•PAN-CF:目前80%以上用于体育休闲用品，今后工业用品和航空航天的比例会逐年上升，到2015年我国将配齐基本品种，2020年赶上国际先进水平。

•P-AF：主要用途是光缆补强材料、防护用品、缆绳类等，到2015年配齐基本品种，全国总产能突破万t/a，到2020年接近目前两大国外公司水平。

•UHMWPE纤维：主要用途是防护用品、绳缆类、渔网等，到2015年全面跃居世界先进水平，到2020年居世界领先水平。

•BSF：主要用途是各种代玻纤的补强材料、绝缘和隔热材料等，到2015年全面居国际领先水平，总产能达5万t/a，到
2020年总产能达10万t/a。

谢谢！。