國內外超高分子質量聚乙烯纖維產業化及開發應用進展

楊正國

(中國石化儀征化纖股份有限公司銷售服務部，江蘇儀征 211900)

超高分子質量聚乙烯纖維是世界三大高性能纖維之一，也是國內大規模產業化進程最具前景的高性能纖維之一，其具有高強、高模、低密度、抗紫外線、耐酸堿、耐有機溶劑等優異性能，已經成為國防現代化建設、航天航空事業及國民經濟高速發展不可或缺的新材料。國外產能主要集中荷蘭DSM、美國Honeywell和日本東洋紡，國內企業自1999年開始產業化以來，目前已經能夠完全依靠自主專利技術、國產設備、國產原料進行生產，先后出現了30家左右的生產企業，主要分為干法紡絲和濕法紡絲兩種，干法紡絲技術主要是中國石化儀征化纖股份有限公司在采用，其余廠家均采用濕法紡絲技術。

1 國內外產業化發展現狀

1.1 國外發展概況

國外超高分子質量聚乙烯纖維專利申請最早是由荷蘭DSM公司高級技術顧問Penning Smith等在1978年提出的，之后該技術被Allied－Singal(美國聯信)公司購買，并在1984年開始產業化進程，最后被Honeywell公司收購。與此同時，荷蘭DSM公司也于1984年開始產業化工作，最初與日本東洋紡公司合作，后來DSM公司除了與東洋紡在日本合資生產外，也在荷蘭本土和美國獨資建廠，經過幾次擴產，形成了如今的生產規模。據日本化學纖維協會2012年公布的統計資料顯示，DSM公司總產能已經達到8 400 t/a，其中纖維生產能力6 000 t/a;日本東洋紡總產能已經達到3 200 t/a。在美國Honeywell公司的公開資料上顯示，產能僅900 t/a，但估計實際產能有2 000 t/a。表1為國外超高分子質量聚乙烯長絲廠商2013年產能估計。

表1 國外超高分子質量聚乙烯長絲廠商2013年產能估計

國外生產企業具有以下特點:

a)生產高度集中。由于專利保護及相關的國家政策，國外的產能歷經近30年的發展，多次進行擴產，但依然集中在原有的企業，這樣不僅有利于國家對國防技術材料的支持和利用，也有利于企業自身能夠良性發展，避免市場無序競爭帶來的影響。

b)技術實力雄厚。國外的幾家生產企業均是跨國大公司，技術實力雄厚，人才濟濟，非常重視研發和創新，近10年來，產品纖維的強度提高了50%以上，在產品應用上的提高和開發也有很大的進步，就目前傳統的防彈產品和防切割手套來說，國內外產品檔次都有較明顯的差異。

1.2 國內發展概況

國內超高分子質量聚乙烯纖維的研究工作始于20世紀80年代，主要由東華大學和中國紡織科學研究院分別進行研究，1999年開始實現產品產業化。經過10余年的發展，目前國內共有超高分子質量聚乙烯纖維生產企業近30家，總產能9 530 t/a，實際產量5 620 t/a，2012年國內生產企業產能情況見表2所示。

表2 2013年國內超高分子質量聚乙烯纖維產能情況 t/a

國內產業化發展的現狀主要有以下特點:

a)發展迅猛，但部分投資有些盲目。2007年以前，國內超高分子質量聚乙烯長絲生產企業僅3家左右，產能1 000 t/a左右，從2007年開始，國內掀起高性能纖維建設熱潮，項目建設開始逐步增多，發展到目前近30家生產企業，產能增加7倍左右到8 680 t/a，生產技術逐步成熟。但在發展過程中，有個別企業在從未涉足化纖領域行業的背景下，受個別科研院所和設備推廣企業的影響，盲目上馬項目，因產品質量水平低下及市場競爭壓力大，已經有3家以上企業處于長期停產狀態，部分企業后續項目緩建。

b)質量提升很快，但各家參差不齊。國產超高分子質量聚乙烯纖維質量在近幾年總體上有了較大的進步，特別是在2008年以后，常規物理指標強度、模量及均勻性都逐漸接近DSMSK75水平(表3)。由于國內投資企業較為分散，背景各有不同，化纖生產技術實力和管理水平差異很大，相應產品質量差異也較大，化纖生產技術實力較強的企業產品質量處于較好的水平，如中紡投資北京同益中、中石化儀征化纖、杭州翔盛集團，部分產量較低的企業產品質量較差，且不穩定，市場競爭力低下。

表3 國產超高分子質量聚乙烯纖維與DSM SK75物理指標對比

c)企業產能較低，且普遍開工不足。國內超高分子質量聚乙烯纖維生產企業目前能做到滿負荷生產的企業僅3家左右，大多數企業處于低負荷狀態或間歇生產狀態。在近30家的生產企業中，產量達到1 000 t以上的企業僅1家，300 t以上的企業僅有6家左右，小型企業眾多造成市場競爭混亂。國內產量僅次于美國，但競爭力與荷蘭、日本、美國這前3個國家相比，有很大差距。從國內2012年的產能和實際市場投放量來看，2012年實際開工率不足60%，產能浪費較大。

d)纖維應用開發水平較低，投入不足。國內企業的整體市場仍集中在傳統的繩纜、防切割手套和防彈領域，大多數生產企業或者研究院所對高新纖維在新應用上的開發能力不足，特別是小型生產企業根本沒有能力進行產品應用的開發，也沒有投入。即使是在傳統應用領域，也仍然需要纖維生產企業不斷進行專用料的細分開發，如國內近幾年快速增長的防切割手套應用，與DSM公司的耐切割纖維相比，國內纖維在強度、模量等常規物理指標相近的情況下，產品防切割性能仍然有一定的差異。在防彈領域，盡管國內的防彈材料已經有較大的進步，但是和國外DSM公司防彈材料相比，在防護能力和柔軟舒適度方面仍然有一定的差距，這也要求我們的防彈產品應用開發和纖維防彈專用料的質量提升要同步進行。

2 超高分子質量聚乙烯長絲開發應用情況

在國際市場上，超高分子質量聚乙烯長絲的用途主要是繩網和防護領域，占總市場份額的95%左右，其余為新應用開發領域。近年來包括民用紡織品在內的許多行業都在對該產品的應用進行研究，試圖將高性能聚乙烯纖維的優異性能充分發揮，但目前此類研究的水平仍然處于初級階段，國內新應用領域用量更是很少。2012年由于全球經濟危機影響，產品應用形式有所變化，防護領域占市場總量比例由以前的60%上升到75%左右，繩纜領域占總市場量比例減少到20%。

中國是超高分子質量聚乙烯纖維生產、使用大國，但非強國，國內近30家生產企業產量僅與DSM公司產量相當，國內產品大部分還是以纖維形式或者加工成品形式進行出口，如防切割手套主要是出口訂單。在國際市場應用上，歐美以防彈產品為主，日本、韓國等亞太地區以繩網和防切割手套產品為主。

2.1 繩纜應用

繩纜的應用是產品高強特性的直接體現，也是產品應用中較為重要的用途之一。超高分子質量聚乙烯繩纜與普通繩纜相比，質量更輕、強度更高，Φ30 mm以上的粗繩纜主要用于船用纜繩，較細規格的繩纜主要用于電力工程牽引、體育休閑等，特別是電力工程牽引應用方面，其高強、輕便、安全的特性使其近幾年以來在電力工程領域得到了廣泛的發展［1］。目前國產纖維隨著質量的提高，產品性能完全能夠達到DSM SK75的水平，但是與DSM公司的SK78和SK90相比，仍然存在較大差距，后者主要用于耐久性離岸泊留繩纜和頂級航海帆船用繩纜。表4為國產超高分子質量聚乙烯纖維繩纜與DSM SK75繩纜破斷拉力對比的情況。

表4 國產超高分子量聚乙烯纖維繩纜與DSM SK75繩纜破斷拉力對比

DSM公司針對繩纜用纖維的要求，除了推出強度更好的繩用纖維系列外，還開發出了低蠕變纖維產品DM20，預測由其加工的繩纜經受標準條件下25年的蠕變伸長率＜0.5%，是DSM現有SK78產品的2%，并保持了SK78原有優異性能，適合用作深水作業永久系泊繩纜。

2.2 防彈材料應用

超高分子質量聚乙烯長絲經過單向鋪布熱壓后，形成0/90°的片材，用于生產軟、硬質防彈衣，防彈機理主要是利用纖維的斷裂功和能量擴散來消耗子彈的能量，達到抗沖擊、防彈的目的［2］。目前國內有6家纖維生產企業在直接從事防彈片材的生產，有5家企業購買纖維來進行聚乙烯防彈材料的生產。國內防彈材料主要用于軍隊、公安系統的采購及產品出口的需求。近幾年來國產超高分子質量聚乙烯防彈材料防彈效果有了較大的提升，但是與DSM公司相比仍然有一定差距，表5為國產超高分子質量聚乙烯纖維UD材料與DSM公司相同產品的防彈效果對比。

表5 國產超高分子量聚乙烯纖維UD材料防彈效果對比

Honeywell和DSM公司投入大量人力物力對超高分子質量聚乙烯防彈制品進行應用研究，研究方向一是不斷提高纖維的性能以提高防彈效果;二是用不同特性的纖維和基質樹脂進行種類、用量、結構和制備工藝的組合創新，得到質量輕、性能優和成本低的防彈制品;三是對防彈制品及其組成材料進行改性處理，得到耐環境、耐磨損等功能的防彈制品。如荷蘭DSM公司近期開發了利用超高分子質量聚乙烯條帶“BT10”作為防彈車輛使用材料，質量更輕、成本更低，更具有市場競爭力，且易于加工;Honeywell公司生產的Spectra ShieldⅡ SA 4144與第一代材料相比，可提高防彈性能25%，并減輕質量30%［3］;將玻纖織物、芳綸機織物和超高分子質量聚乙烯UD布分別用作頭盔纖維增強樹脂復合熱壓材料的外層、中間層和內層，充分發揮不同纖維織物的性能優勢，所得到的防彈頭盔性能得以提高，成本降低，已經應用于美軍和亞洲士兵的防護［4－5］;改變基質樹脂在復合材料不同位置的質量分數的分布或結晶性亦可以提高防彈制品的性能;經過硅氟化合物處理的防彈制品增強了對海水、槍油和磨耗的耐受性，有的還提高了防彈性能［6－7］。中國國內防彈材料生產商雖然研發投入不如上述公司，但是也進行了積極開發，如用芳綸和超高分子質量聚乙烯復合生產無緯布用于頭盔等硬質材料的生產，產品對芳綸和超高分子質量聚乙烯的特性進行互補，防彈性能得到了提高［8］。

2.3 防切割手套應用

超高分子質量聚乙烯纖維與其它纖維如滌綸、尼龍、氨綸、玻纖等進行包覆纏繞后，進行手套的編織，所做手套具有防切割、耐摩擦、抗撕裂、防穿刺等特點，在給勞動者提供更好防護的同時，手套的使用壽命也得到了延長。隨著中國產纖維低成本的市場介入，2010年開始市場需求有了較大的增長。2008年國內警用防切割手套的配備也促成了一定的市場需求，到目前為主，手套領域市場需求仍保持較高的增長。國產纖維的防切割性能和耐磨性能與DSM公司產品相比有一定的差距。DSM公司近年來也在推廣其新開發的鉆石產品，主要在纖維中加入了硅鋁鈣鎂氧化物的礦物質，大幅提高了原有纖維的耐切割性能［9］，在將該纖維與聚酰胺和聚氨酯包覆后，在不使用鋼絲和玻纖的情況下，可以達到EN388的4級防切割標準。國內企業目前色絲技術逐漸成熟，有色超高分子質量聚乙烯纖維的出現使得原有的色彩單調的防切割手套顏色更加豐富，品種更加齊全。

3 存在的問題及發展建議

a)盡管國內超高分子質量聚乙烯纖維發展出現了過熱現象，但是纖維本身優異的特性使得其在各個領域的應用不斷發展，市場需求一直處于高速增長狀態。針對國內超高分子質量聚乙烯長絲企業的特點及分布情況，需要國家或者行業協會積極引導部分企業做大、做強，形成能代表國內發展水平的龍頭企業，這些企業不僅要在纖維生產方面加大投入，在纖維應用技術和市場拓展方面更要加大投入，通過自主創新或與高等院校、科研院所技術合作，不斷開發新的應用領域，并形成一整套纖維應用技術指導體系，引導下游企業生產，帶動整個行業快速發展。

b)國內超高分子質量聚乙烯生產企業已經近30家，質量水平參差不齊，競爭激烈，在此情況下，需要出現行業聯盟，在價格、質量、應用等方面共同維護，規范市場秩序，引導市場健康、有序發展。

c)加快產品出口，國內市場供需嚴重失衡，產能浪費，在質量提升的基礎上，開拓國際市場不僅能有效緩解國內競爭的壓力，而且能夠提升國際社會對中國高新技術產品的認同感，增強國際品牌效應。

d)在當前供需過剩的情況下，國內超高分子質量聚乙烯纖維生產企業的產品利潤空間已經被壓縮到了虧損的邊緣，只有進一步加快技術進步，降低生產成本才能提升國際競爭力。目前國內無論干法還是濕法生產工藝，單線產能、漿料濃度等與國外同行企業相比，都有較大的差距，同時也說明在生產成本方面，還有較大的潛力可挖，因此國內企業應該注重研發，促進科技進步，才能對未來萬噸級項目建設和下游應用開拓產生積極的推動作用。

［1］ 李慶林，郭學聞，彭小武.迪尼瑪高強絕緣繩在輸電線路工程施工中的應用［J］.廣西電力建設科技信息，2006，1:17－20.

［2］ 楊丁丁，李龍.防彈衣的防彈影響因素及其服用性能的分析［J］.山西紡織，2005，2:9－11.

［3］ 霍尼韋爾國際公司.用于硬裝甲應用的復合防彈織物結構:中國，101855509［P］.2010 －10 －06.

［4］ 霍尼韋爾國際公司.防護頭盔:中國，101662963［P］.2011－12－14.

［5］ 霍尼韋爾國際公司.防步槍子彈的頭盔:中國，101946151［P］.2011－01－12.

［6］ 霍尼韋爾國際公司.基于氟碳改性粘合劑的耐環境防彈復合物:中國，101680731［P］.2010 －03 －24.

［7］ 霍尼韋爾國際公司.制造耐環境的軟盔甲復合材料的方法:中國，101680730［P］.2011 －03 －24.

［8］ 勵佰芳.一種復合UD無緯布的制作方法及其應用:中國，10128527［P］.2008 －10 －15.

［9］ 羅益峰.近期國外高強高模纖維發展概況［J］.高科技纖維與應用，2011.06:3 －4.