UHMWPE：“卡”不住的戰(zhàn)略材料

劉超

超高分子量聚乙烯纖維（Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，UHMWPE）與碳纖維和芳綸纖維并稱世界“3大高科技特種纖維”，UHMWPE又被稱為“高強高模聚乙烯纖維”或“高性能聚乙烯纖維”。

目前，在全球所應(yīng)用的纖維材料中，UHMWPE的比強度和比模量最高，具有質(zhì)量最輕、化學(xué)穩(wěn)定性良好，耐彎曲性、抗疲勞性和抗切割等性能優(yōu)良。UHMWPE因在軍事防彈防爆、雷達罩、航天器返回艙降落傘繩纜等國防軍工和航空航天等重要領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，因此UHMWPE被視為重要的戰(zhàn)略材料。近些年，UHMWPE在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸擴大，如航海裝備、軌道交通、工具制造和防護用品等領(lǐng)域，因此其未來市場前景被一致看好。隨著國內(nèi)UHMWPE技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這一材料已日漸顯現(xiàn)出突破國外對我國高端產(chǎn)品封鎖的跡象，國外想“卡”也卡不住。

為更好地了解我國UHMWPE的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，本刊專訪了中國紡織科學(xué)研究院有限公司（以下簡稱“紡科院”）原副總工程師、生物源纖維制造技術(shù)國家重點實驗室主任孫玉山。

國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)品已占全球半壁江山

孫玉山向本刊記者介紹，最早由荷蘭皇家帝斯曼集團（DSM）在1979年成功開發(fā)出凝膠紡絲制備UHMWPE方法，在1990年左右實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，目前產(chǎn)能6 000t左右，其生產(chǎn)的UHMWPE產(chǎn)品性能最佳，質(zhì)量最好，是UHMWPE領(lǐng)域的“老大”；其次是日本的東洋紡織株式會社（以下簡稱“東洋紡”）產(chǎn)能3200t；第三是美國的霍尼韋爾公司，產(chǎn)能在3000t左右。“這3家企業(yè)的產(chǎn)品代表了目前全球UHMWPE產(chǎn)品的最高水平，但是這3家企業(yè)的產(chǎn)能總和卻沒有國內(nèi)多。為什么要先說這幾家企業(yè)，一是因為他們的產(chǎn)品整體性能和質(zhì)量確實要高于國內(nèi)多數(shù)產(chǎn)品；二是，因為在2000年以前，全球UHMWPE產(chǎn)品基本被這3家企業(yè)壟斷，2000后國內(nèi)UHMWPE實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，他們的市場壟斷地位才逐漸被打破。”

1999—2000年間，由浙江寧波大成新材料股份有限公司（以下簡稱“浙江大成”）、北京同益中新材料科技股份有限公司和湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司（以下簡稱“湖南中泰”）相繼在這期間實現(xiàn)UHMWPE的規(guī)模化擴試和產(chǎn)業(yè)化。孫玉山說：“國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)路線分干法和濕法，中國石化儀征化纖股份有限公司（以下簡稱“儀征化纖”）是國內(nèi)唯一一家利用干法生產(chǎn)UHMWPE的企業(yè)，其余企業(yè)都是濕法生產(chǎn)。”據(jù)了解，儀征化纖的干法路線就是源于紡科院的技術(shù)成果落地項目，紡科院在1984年就已經(jīng)開始對UHMWPE進行了研究。而如浙江大成和湖南中泰等國內(nèi)其他UHMWPE生產(chǎn)企業(yè)的濕法產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，則是現(xiàn)在的東華大學(xué)前身——華東紡織工學(xué)院在1985年在國內(nèi)首創(chuàng)。

據(jù)相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2018年，全球UHMWPE產(chǎn)能約3.58萬t/a，除3家國外企業(yè)外，國內(nèi)30余家UHMWPE生產(chǎn)企業(yè)的總產(chǎn)能約2.36萬t/a，占世界總產(chǎn)能的2/3。國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)能過1000t的生產(chǎn)企業(yè)有山東愛地高分子材料有限公司、湖南中泰、九九久、上海斯瑞聚合體科技有限公司、浙江大成、儀征化纖。

從目前全球UHMWPE產(chǎn)能看，市場還遠未達到飽和程度。據(jù)悉，至2021年，全球UHMWPE需求量將突破11萬t，巨大的市場空間必然帶動企業(yè)增產(chǎn)提效和降低成本。從不同用途的UHMWPE產(chǎn)品價格來看，價格最高的是超高強度UHMWPE和醫(yī)用UHMWPE，這2類產(chǎn)品在強度、模量、纖度等指標都有較高要求，產(chǎn)品基本被DSM壟斷。尤其是DSM超高強度UHMWPE——SK99是限制出口的物品。除此之外，我國其他UHMWPE種類的纖維產(chǎn)品已基本與DSM水平接近或相當，能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足。

孫玉山說，國外UHMWPE從研究到產(chǎn)業(yè)化用了11年，我國研究時間較晚而產(chǎn)業(yè)化時間也較長，用了十四五年，但我們追趕的速度很快。一方面源于我國化纖行業(yè)發(fā)展較早，具備了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；二是，近些年，企業(yè)更加注重與高校和研究機構(gòu)的合作，隨著科研隊伍整體水平的提升，高校、科研機構(gòu)和企業(yè)儲備了許多基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，高端UHMWPE產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)突破不會太遠。他介紹，紡科院在高性能UHMWPE進行了長期的技術(shù)儲備，目前已經(jīng)與中石化南化集團有限公司（簡稱“南化”）合作，高強UHMWPE產(chǎn)業(yè)化指日可待。

全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同作戰(zhàn) 國外想“卡”不容易

孫玉山向本刊記者展示了紡科院早在2013年就已經(jīng)完成的“超高分子量聚乙烯纖維”束絲小試樣品檢測報告，這份報告是由國家紡織制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（CTTC）出具。報告顯示，該UHMWPE束絲樣品模量達2 326cN/dTex，強度達48.10cN/dTex。此次紡科院與南化合作，就是將這種UHMWPE的小試樣品實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。“我們預(yù)計，產(chǎn)業(yè)化后的UHMWPE模量要保持在至少2 000cN/dTex，強度達到40～450cN/dTex。”孫玉山說。前文中提到的荷蘭DSM公司對我國限制出口的UHMWPE SK99，其模量是1 590cN/ dTex，強度42.50cN/dTex。那么，紡科院的更高強度UHMWPE技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，我國UHMWPE將不再需要從國外進口，DSM對我國的“禁運”將變得毫無意義。“本來，這項技術(shù)在前幾年就可以進入產(chǎn)業(yè)化，但是這種超高模量超高強度的UHMWPE應(yīng)用的地方不多，當時國內(nèi)的產(chǎn)品就可以滿足各個領(lǐng)域的需求。直到DSM新產(chǎn)品SK99問世并對我國禁運，而我國對更高強度和模量的UHMWPE又有了新的需求。我們才把這項技術(shù)拿出來，推向產(chǎn)業(yè)化。”

孫玉山主任向本刊記者做了一些關(guān)于UHMWPE技術(shù)的科普。他介紹，UHMWPE的生產(chǎn)主要是凝膠紡絲，分為干法和濕法。干法工藝需要使用可揮發(fā)性的十氫萘等作為溶劑，將超高分子量聚乙烯原料溶脹后進行噴絲，再高倍拉伸得到UHMWPE，在此過程中無需再對纖維進行溶劑萃取。這種方法生產(chǎn)效率很高。而濕法工藝，需要高沸點的溶劑對原材料進行溶解、再凝固，再用低沸點溶劑進行萃取、精餾分離、干燥和高倍拉伸，生產(chǎn)流程較長，消耗的萃取劑對環(huán)境影響較大。

UHMWPE雖然具備許多優(yōu)良特性，但也存在明顯的缺點。UHMWPE在應(yīng)用過程中存在3個問題：一是不耐高溫，超過90℃，纖維性能就會受到影響；二是抗蠕變性能差，在持續(xù)受力時會發(fā)生形變而變長；三是UHMWPE表面極性相對較低，不易用其與其他材料復(fù)合。目前，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)基本解決了抗蠕變性和復(fù)合能力，但耐高溫性能仍需要進一步突破。

前不久，中國工程院院士蔣士成曾在一次會議中指出，國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)業(yè)在未來可以組建上下游協(xié)同的技術(shù)聯(lián)盟或研發(fā)中心，同時加強科研與市場的對接，才能更好地將國內(nèi)UHMWPE產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品推向更高的臺階。

相信在不久的將來，國內(nèi)將會生產(chǎn)出完全不遜于國外高端產(chǎn)品的超高分子聚乙烯纖維。到那時，妄圖在產(chǎn)品上“卡住”我國應(yīng)用端的脖子將會成為歷史。