世界高性能纤维竞争格局分析

罗益峰

本文简述了近半个世纪以来美日在高性能纤维领域的竞争情况以及今后中日两国间将出现的竞争态势,重点介绍了日本今后的技术研发方向,同时还论述了不同种类的高性能纤维在某些重要应用领域内的相互竞争。世界高性能纤维行业的激烈竞争将迫使各公司不断加大研发创新的投入,帮助用户进入“量体裁衣”的时代。

In recent half century, the competition between US and Japan in high-performance fiber was intense. This article illustrated the competition among several countries as well as different kinds of fiber in some important application fields, and focused on the technique research trend of Japan. Based on analysis, the author pointed out that the competition would force high-performance fiber enterprises to increase investment on research and development, so as to supply tailor-made products to customers.

20世纪后50年,美国为确保其军事、尖端科学和支柱产业在全球的领先地位,一直是世界高性能纤维的开发先锋,并将其作为重要的技术支撑严格掌控。80年代后,特别是迈入21世纪以来,日本靠不断壮大具有世界领先水平的碳纤维产业,将美国新开发的高性能纤维在日本实现了产业化,并兼并国外优势品种的事业部,使日本的弱势品种迅速提升到世界先进水平,从而确立了现今在世界高性能纤维领域的领先地位。无论是产品的种类、系列化开发、性能指标还是生产成本,日本的高性能纤维产业均具有领先优势。随着以中国为首的新兴国家的崛起,以及2008年世界金融危机和经济不景气的影响,日本开始预感到未来的发展危机,从而制订了一系列政策措施以保持其优势地位。除了国与国之间的竞争外,同类产品间以及重要应用领域内不同类产品间的市场竞争也愈加激烈,而不同公司在同一产品上的竞争则不言而喻了。

1主要生产国之间的竞争

1.1美国与日本

美国自1955年开发聚四氟乙烯(PTFE)纤维后,便拉开了开发高性能纤维的序幕,其中DuPont(杜邦)的PRD研究室先后开发出了聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)、聚酰亚胺(PIM)、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚二唑(PODZ)、聚酰胺酰肼(X – 500)、聚苯并双噻唑(PBTZ)、聚苯并双唑(PBO)、聚芳酯(LCP)、聚丙烯腈(PAN)、粘胶和沥青基碳纤维、聚酚醛(PPA)、四氟乙烯 – 六氟丙烯(F46)、乙烯 – 三氟氯乙烯(E – TFCE)、乙烯 – 四氟乙烯(E – TFE)、PMIA热处理纤维(HT – 4)、蜜胺(MLA)、聚苯硫醚(PPS)及一系列无机纤维和大丝束碳纤维等。同时引进本国缺乏的品种如超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维并加以创新和发展,从而奠定了美国在世界高性能纤维领域的领导地位。

然而,自80年代起日本开始把投资重点由常规合纤转向高科技纤维,通过扶持大阪工业试验所和九州工业试验所先后开发的高性能PAN基和沥青基碳纤维(P – CF)逐渐强大,形成了二战后日本居世界领先水平的十大支柱产业 之一。

其次,日本将一些美国公司开发的新品种以合作为名在日本实现产业化,最后发展成日本独有的产品,如美国金刚砂公司开发的酚醛纤维Kynol转至日本Kynol公司生产后,被日本最大的酚醛纤维生产企业群荣化学公司兼并,成了产能达 800 t/a的世界唯一生产商;又如聚芳酯纤维Vectran®,由美国Celanese(塞拉尼斯)公司开发后移送到日本可乐丽公司实现产业化,随后美国公司退出;再如PBO纤维Zylon®,最早由美国空军实验室委托两家大学进行基础研究,随后由杜邦公司和Dow Chemical(陶氏化学)进行中试,最后却转至东洋纺投产,产能为 300 t/a;还如杜邦所生产的PPTA纤维Kevlar®,当时日本属空白,东丽公司率先于1994年与杜邦达成合资协议,成立了东丽 – 杜邦Kevlar公司,产能为 2 500 t/a。此外,东洋纺还与荷兰DSM公司达成合作协议,利用DSM的UHMWPE树脂进行凝胶纺丝试验,成功后分别在两国建厂,目前在荷兰和日本的产能分别为 4 500 t/a和 1 600 t/a,而东洋纺先后又开发了通过干法纺丝将重均相对分子质量为 50 万的PE制成高性能PE纤维,以及用熔纺法制高强PE纤维的新品种,大大提高了生产效率,且后者的耐切割性超过了Dyneema®和Kevlar®,现总产能已达 3 000 t/a,而其专利所发表的UHMWPE纤维的最高强度达到了 53 cN/dtex。

除了合作开发以外,日本还通过兼并、收购国外优势品种等手段,使其弱势品种很快提升到世界先进水平。三菱人造丝公司于1993年兼并了英国Courtaulds(考陶尔兹)在美国的PAN基碳纤维(PAN – CF)企业Hysol Grafil公司,随后又委托英国RK碳纤维公司生产小丝束PAN – CF,使之在日美欧均有生产基地,并使总产能突破万吨大关,保持了世界第三大碳纤维生产商的地位。帝人公司于2000年收购了荷兰AKZO NOBEL(阿克苏・诺贝尔)的PPTA纤维Twaron事业部,并投资 1 400 亿日元将其产能扩至 1.85 万t/a,2008和2009年又先后扩至 2.35 万t/a和 2.65 万t/a,加上其Technora®共聚纤维的产能 3 000 t/a,形成了唯一可与Kevlar®相竞争的产品。东丽公司于2002年1月兼并了美国ATY公司的PPS纤维事业部,使自身的PPS纤维总产能达到 1 600 t/a,一跃成为当时世界最大的PPS纤维生产商,这样日本 4 家公司的总产能已超过 7 000 t/a,保持了世界领先水平,其中有约 20% 的产品输入我国。总之,美日间经过近 40 年的竞争,到2008年日本已明显占据优势。

1.2日本与中国

至2008年,我国已实现主要高性能纤维基本品种的产业化,参与PAN – CF产业化的厂家不下 15 个,其中威海拓展纤维有限公司与中复神鹰碳纤维股份有限公司已实现了 1 000 t/a的产业化,纤维强度约 3.6 ～ 3.8 GPa,预期2010年全国将有百吨级以上的生产厂家 10 家,最大的可望达到 3 000 t/a,现小试已可制得强度分别为 4.9 和 5.5GPa的PAN – CF,届时有望实现不同规模的产业化;PPTA纤维约有 7 家公司正推进产业化,到2010年产能大都为千吨级水平;UHMWPE纤维自1999年由宁波大成新材料公司实现产业化后,现有 10 多家百吨级以上的生产厂家,其中上海斯瑞聚合体科技有限公司的产能据称已达到 3 000 t/a的水平,预计到2010年将有 7 家工厂达到千吨级的生产规模;在PMIA纤维方面,现有 3 家千吨级的生产企业,其中烟台氨纶股份有限公司的产能已扩至 3 400 t/a,预期到2010年我国自行开发的芳砜纶也将达到 1 000 t/a的水平;PPS纤维有数家公司生产,其中四川德阳科技股份有限公司已建成 500 t/a的产能,其他有一些是利用VC 405的涤纶短纤生产装置来转产PPS纤维;在玄武岩(BS)纤维方面,目前至少有 4 家百吨级的生产工厂,到2010年至少有 2 家可望达到千吨级规模。上述纤维生产企业大都有自己的专利,包括目前尚处于研制阶段的PBO和蜜胺共混纤维等,都有自己的技术特色。

针对以中国为首的新型国家的崛起,日本媒体预测,今后世界高性能纤维领域的竞争将进一步激化。为此,日本经济产业省修订了“2006年日本下一代技术战略图”并出台了“2007技术战略图”,在 25 个领域中都追加了高新技术纤维的内容,目的是维持日本在高科技纤维领域的优势地位。以下内容仅将战略图中涉及高性能纤维的部分加以简述,供参考。战略图首先提出了评价重点课题的主轴线(相当于指南),然后提出在材料和安全方面的重点课题、碳纤维重点课题、建筑、IT(信息技术)和生活资材领域的重点课题,以及 3 个基础技术领域的技术路线。

1.2.1重点课题的评价轴线(纤维领域)

(1)应对社会需求的技术

・ 应对资源(包括替代石油)和能源的技术;

・ 应对安心和安全度的相关技术;

・ 提高功能性和便利性的相关技术;

・ 基于其它政策要求的技术。

(2)技术优越性

・ 技术的难易度(高风险技术);

・ 技术本身的先进性和进步性(未来的高技术);

・ 具有国际领先性的技术(与国际研究水平比较);

・ 与其它材料相比较,可发挥纤维材料优越性的技术;

・ 能带来新功能或大幅度提高性能的技术。

(3)市场影响力

・ 与开创或扩大市场相关的技术;

・ 涉及到多领域且效果大的技术(不仅涉及直接开发对象的制品和部件,还包括可望应用于汽车和IT等其它领域的技术);

・ 能在产业界形成共同基础(包括评价技术)的核心技术,以及可望广泛应用的技术;

・ 成本竞争时所不可缺的技术。

1.2.2碳纤维重点课题(表 1)

建筑领域的重点课题,还包括高强度纤维与基体的粘合技术以及高强度纤维的高效和低成本制造技术、高韧性混凝土与纤维相配合基体的最佳化等。在基础技术领域的研发课题还包括:(1)纳米复合纤维的研发,如通过碳纳米管增强纤维技术的开发,实现通用纤维的高性能化,包括超高韧性和强度的平衡、高强纤维的低模量化技术、纤维非晶领域的分子结构控制技术;(2)纳米混杂聚合物的设计、纺丝与碳化技术,包括高强聚酰胺和聚酯纤维的工业化技术开发、高强芳酰胺纤维的工业化技术开发、超高相对分子质量化及其拉伸技术开发;(3)由天然原料开发碳纤维原丝、超高强度纤维素纤维的开发;(4)创新的碳纤维,包括熔纺碳纤维原丝的开发、聚合物的设计与合成、纺丝与碳化技术、高速纺丝技术、低温碳化技术等。

最近,帝人公司在荷兰兴建了喷射纺丝法生产新型Twaron®浆粕的中试厂,它具有稳定的高温粘合性,可用于制造具有高化学和热稳定性的工业用纸。可乐丽则在将Vectran®纤维的产能扩充至 1 000 t/a的同时,在2008年北美Techtextil(亚特兰大)上推出了溶液染色的Vectran® HT新品种,有蓝、绿、橘红等色泽,其抗紫外光性、色牢度和强度较好,同时还导入了细旦丝产品。静冈大学采用超临界醇新技术,将CFRP中的热固性和热塑性树脂分解,使碳纤维无损地分离回收,而且也可将回收的树脂再利用。此外,据日本近 12 年的专利统计,在1996年4月1日 — 2000年3月31日、2000年4月1日 — 2004年3月31日、2004年4月1日 — 2008年3月31日 3 个阶段所发表的高强纤维及提高纤维强度方面的专利数,分别为 164、256 和 194 篇,合计为 614 篇;提高耐热性方面的分别为 330、376 和 410 篇,合计为 1 116 篇;提高难燃性和防火性的则分别为 230、346 和 284 篇,合计为 860 篇,可见日本在高性能纤维的技术创新上下了较大的工夫。

2相同应用领域内不同品种间的竞争

表 2 列出了 5 种主要高强高模有机纤维在各应用领域适用性上的对比情况,可以看出,不少领域是 5 种纤维都适用的,其竞争取决于几者之间的性价比及所需性能的高低。例如在防弹衣和防弹板领域,在防弹性能相差较小时,对部队装备来说就希望采用轻量的UHMWPE纤维复合材料;而当需要耐高温时,则选择PPTA;若需要轻量而又隐蔽的材料,则选用更高强度的PBO纤维等。

高性能纤维不断帮助人类突破极限

(1)用UHMWPE纤维制成的渔网重量轻而强度超高;(图片来源:DSM公司)

(2)风力发电叶片中使用碳纤维后能耗比普通玻纤降低 40% 以上;

(3)PPS等纤维在防护工作服上的应用使人们免受高温、腐蚀性气体等的伤害。