国内超高分子质量聚乙烯纤维生产现状及市场分析

宋长华，肖慧敏，徐家凯，韩广玲，程 飞

(1.中国石油吉林石化公司 研究院,吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司，吉林 吉林 132022；3.中国石油吉林石化公司 物资采购公司，吉林 吉林 132022；4.中国石油吉林石化公司 合成树脂厂，吉林 吉林 132021；5.中国石油吉林石化公司 电石厂，吉林 吉林 132022)

超高分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维是20世纪70年代发展起来的一种高性能纤维，外观为白色，是高性能纤维中密度最小的纤维，也是唯一一种能够在水面上漂浮的纤维，具有优异的物理机械性能,广泛用于防弹衣、防刺服、头盔、 防切割等安全防护用品、绳缆和渔网等水上结构材料、航天航空结构件、雷达罩等，是重要的战略物资和高技术材料。

1 国内UHMWPE纤维生产情况

目前，世界UHMWPE纤维的总生产能力约为30.0万t，主要的生产厂家有Honeywell公司(生产能力为3.0万t/a)、DSM公司(生产能力为9.2万t/a)、三井石化公司(生产能力为0.6万t/a)、山东爱地高分子材料有限公司(生产能力为5.0万t/a)、上海瑞斯聚合体科技有限公司(生产能力为3.0万t/a)、湖南中泰特种装备有限公司(生产能力为2.0万t/a)、宁波大成新材料股份有限公司(生产能力为1.5万t/a)等[1]。

我国自1985年开始UHMWPE纤维的研究，中国纺织科学研究院、东华大学、 盐城超强高分子材料工程技术研究所先后加入其研发行列，并取得了一系列理论突破，1999年突破关键性生产技术，近年来发展非常迅猛。2006年国内UHMWPE纤维总产量约为1 kt，2008年约为4.2 kt。到2013年，据不完全统计，我国的 UHMWPE 纤维生产厂家已发展至20家多家，总生产能力已达到20.0万t/a。其中，山东爱地公司从 2005年8月开始UHMWPE纤维的产业化研发，经过两年半技术攻关，陆续建成了8条UHMWPE 生产线，总生产能力可达到5 kt/a，是目前世界第二、亚洲最大的UHMWPE 纤维生产企业。爱地公司的UHMWPE纤维已达到国际先进水平，现已销售到北京、广州等地区，并出口希腊、比利时、葡萄牙等多个国家[2]。我国主要的 UHMWPE 纤维生产厂家见表1。

表1 2013 年我国主要的 UHMWPE 纤维的生产厂家

除了生产能力上的进步，我国 UHMWPE 纤维在生产技术上也突破了以往大体类同的局面，开始出现干法纺丝的新工艺以及在纤维纺丝过程中加入纳米碳纤维的新技术和新产品。中国石化仪征化纤股份有限公司、南化集团研究院与中国纺织科学研究院联合开发的300 t/a UHMWPE 纤维干法纺丝工业化成套技术已通过中国石化股份有限公司的技术鉴定，并已建成3 kt/a的纳米碳增强的UHMWPE纤维装置，在一定程度上改进了原纤维的耐热性、抗蠕变性和界面性能[3]。

我国主要UHMWPE纤维企业有20多家，分布较为集中。从已有统计的企业来看，UHMWPE纤维企业多分布在沿海地区及中部地区，东北地区也有零星分布。

UHMWPE纤维企业分布特点：(1)分布在沿海等对外开放条件比较好、近几年地方经济发展迅速的地区。这些地区通过有效地吸引国内外的技术、资金和人才，迅速建立起新的化工高新技术产业，例如江苏、浙江、山东、上海等地；(2)分布在包括省会城市在内的中心城市。这些城市高等学校和科研院所比较多，科技力量比较强，工业基础比较好，交通发达便利。随着UHMWPE纤维市场升温，越来越多的企业加入到市场竞争中来，企业分布也会多元化，但以上分布特点并不会改变。

近几年，我国UHMWPE纤维产能扩张迅速，国外企业也加大了在我国扩张，2011年，世界500强企业帝斯曼并购爱地公司，使爱地公司的UHMWPE纤维产能得到进一步扩张。随着UHMWPE纤维生产技术日趋成熟,国内的生产企业还会陆续增加，已有企业也会进一步扩大产能，与此同时，国内UHMWPE纤维产能总量近几年将会持续增大，预计2015年产能将达到2.4万t。

值得注意的是，我国UHMWPE大型装置设计制造水平也亟需进一步改进，UHMWPE纤维生产中的工艺控制水平也有待提高。企业之间为了自身的生存与发展加剧了市场的相互竞争，进而出现无序竞争局面。因此，企业扩大产能应有成熟的技术和足够的企业规模为前提，不可盲目上马。

UHMWPE纤维在国内的生产技术已基本成熟，但是生产的高成本使其在传统领域的应用受到极大限制。同时，高利润促使很多企业向该行业投资，在现有生产成本不能有效降低、市场容量不能大幅度扩大的情况下，必将导致市场竞争加剧。随着国内UHMWPE纤维装置的不断扩建，自给率将逐步提升，UHMWPE纤维的开工率将会上升，预计 2015 年我国UHMWPE纤维产量将达1.7万t。

近几年，随着市场需求的不断增加，国内几家公司都在计划不同程度的扩产，但产品性能仍无法与国外的干法产品相比，并且我国单机生产能力仍低于发达国家水平，扩大生产能力的直接手段是不断复制已有的小规模生产线，技术水平偏低，产品质量还存在一定的差距。

2 国内UHMWPE纤维市场情况分析

2.1 国内UHMWPE纤维市场需求情况及预测

目前，世界对UHMWPE的总需求量约为5.0万t/a，其中美国约占70%，处于供不应求的状况。对UHMWPE纤维需求最为强劲的是美国、欧洲等发达国家和地区，该地区应用UHMWPE纤维制作防弹衣、防弹头盔等防护用品的生产工艺较为成熟。目前，UHMWPE纤维的消费结构为：欧美主要用于防弹衣和武器装备，约占总量的60%～70%，其次是绳缆，约占20%，渔网等约占5%，劳动保护约占5%。日本主要用于绳缆、渔网、防护类，特别是防切割手套，在汽车生产涂漆工序的使用已经达到UHMWPE纤维总需求量的25%。

近年来，世界对UHMWPE纤维的需求量逐年增加。2001年约为0.18万t，2005年达到约0.80万t，2010年进一步增长到约5.0万t，预计2015年总需求量将达到约10.0万t。

目前，世界各国对UHMWPE纤维的总需求量正在逐渐增长。其中，美国大约占全球总需求量的70%，而且，美国地区市场需求很强劲，一直处于供不应求的状况。本土企业不能满足市场需求，该地区需要进口其它国家的产品。

我国UHMWPE产业从无到有、从小到大发展到现在，通过消化再吸收，以及自主创新，已有多套纤维装置的生产技术与国外同行相当。我国已成为全球UHMWPE生产和消费的主要国家之一。随着国民经济稳步发展，近年来我国UHMWPE纤维需求量连续增长,2006年约为0.8万t，2010年约为1.5万t，2013年约为1.8万t，需求的增长主要来自下游应用领域。

目前，我国UHMWPE纤维应用较多的是绳索类产品，仅国内缆绳行业的纤维材料年需求量在3 kt以上；其次应用于软质防弹衣、防刺服、防弹头盔等类产品，市场的需求量非常巨大。我国有很多企业都在用进口DSM公司的纤维加工防弹衣、防弹头盔等防护用品，产品出口主要以防护用品成品形式大量出口美国和欧洲。此外，我国国防现代化建设和警察装备建设对个人防护用品的需求正处于快速增长阶段，预计对UHMWPE 纤维的需求增长将高于世界平均增长率。南方地区有数家企业利用进口的Dyneema SK75 纤维生产船舶系泊(军用、 民用)、海洋救助、运输吊装等用途的高强度绳索。我国 UHMWPE 纤维的主要应用领域及需求情况见表2。

表2 我国 UHMWPE 纤维的应用领域及需求量

未来UHMWPE纤维的应用领域也将更加广泛，特别是近年来，由于世界各地地区冲突和战争不断，恐怖事件蔓延不止，军事装备工业得到迅猛发展，防弹材料的开发和研究越来越受到重视。投入应用的防弹材料品种较多，考虑到使用的方便和舒适，纤维材料逐渐取代了传统的钢铁和陶瓷而成为主流防弹材料。这类纤维包括碳纤维、Kevlar纤维以及UHMWPE纤维。它们在防弹领域应用于防弹衣、防弹装甲和防弹头盔，其中UHMWPE因其优越的防弹性能而备受关注。

在“十一五”863计划新材料领域“UHMWPE纤维关键技术”重点项目支持下，浙江宁波大成新材料股份有限公司和中国科学院化学研究所等单位承担的UHMWPE树脂、纤维和复合材料的综合表征技术等4个课题也取得了重要进展，于2013年上半年通过了技术验收。该项目改进了催化剂和溶剂的性能，研发出2个牌号的纤维级UHMWPE树脂，建立了中试装置，形成了2万t/a纤维级UHMWPE树脂连续法工业生产能力。该项目研发了纤维表面改性等新技术，开发出大容量非连续冻胶法UHMWPE纤维产业化制备技术，单线产能提高到400 t/a以上，同时，高性能、轻量化无纬布防弹衣等系列防弹制品，高速低捻合股UHMWPE纤维高强绳缆和高等级包覆纱线防切割手套等产品都已实现工业化生产，并取得了良好的经济效益。

随着生产成本和产品价格的下降，以及其在国防和民用领域的发展，尤其是在民用领域(绳缆、远洋渔网、海上养殖、劳动防护类)，UHMWPE 纤维应用范围将不断扩展[4]。

2.2 UHMWPE纤维的主要用途

UHMWPE纤维是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代高性能纤维,它的比强度是普通优质钢材的15倍左右，碳纤维的2.6倍，玻璃和尼龙66纤维的4倍，芳纶纤维的1.7倍。且UHMWPE具有良好的耐化学药品性、耐海水性、耐摩擦磨耗性、耐切割性、生物相容性、电性能等，拉伸强度是钢的10倍,远高于碳纤维和芳纶纤维；除此之外，还具有密度小、质量轻等优点。因此，UHMWPE广泛应用于防弹材料、耐切割衣料和手套、超高强力绳索、赛艇的船帆以及钓鱼线等方面。此外，UHMWPE纤维可作为光导纤维的补强材料、船帆及防弹用的特种织物，也能增强热塑性树脂、热固性树脂、橡胶和混凝土等材料。其复合材料应用于汽车零件、电子计算机机架、防弹背心、体育用品、安全帽、复合牙托、汽车保险杠，可以替代芳纶用于光导材料等[5]。

2.2.1 绳缆

由于UHMWPE纤维高强力，高模量，耐腐蚀，耐磨损，耐光照，柔韧性好，用于制作绳索尤其是海洋用绳索，是一种非常优秀的材料。UHMWPE密度低，只有0.97 g/cm3，用其制造的绳索可漂浮于水上；其强度高，用其制造的绳索，在自重下的断裂长度是钢绳的8倍，是芳纶的2倍；其耐光性好，可长时间经受日光照射,经日光照射1 500 h后强度保持率仍能达到80%以上，而芳纶经一段时间日光照射后强度会急剧下降；其化学稳定性好，耐水和各种化学溶剂，在海水中不会腐蚀、水解，而钢缆在海水中会锈蚀，尼龙和聚酯缆绳在海水中也会因腐蚀和水解而引起强度下降和断裂。基于以上特点，UHMWPE纤维制成的绳索可广泛用于各种绳索、缆绳，尤其适合船只和海洋工程使用。国内外的海事局已经陆续要求出海的船只必须配备1条重达100 kg的UHMWPE纤维缆绳以替代传统的钢索。如果国内船只能够按此标准配备，将给国内UHMWPE纤维产业提供一个重要的市场空间。随着我国经济发展水平的提高，高性能船用绳缆必将逐步替代现有普通船缆。在许多低温应用领域，如航天降落伞、飞机悬吊重物的绳索、高空气球的吊索等，UHMWPE纤维绳缆也是首选。

2.2.2 安全防护

防护用品包括防弹用品、防刺用品、防割(含防划伤)用品，防弹和防刺用品主要用于军用、警用领域，防割用品主要用于工业生产、民用防护等。防护用品是目前UHMWPE纤维的主要领域，单是防渗透布(LID)的生产就使用了UHMWPE纤维总量的45%以上，LID 布是生产防弹衣、防刺服、防弹板、防弹装甲的核心材料，其中最主要的产品是软质防弹衣。除单向织布(UD)外，还有非织造布、各种机织、针织材料也可用于防弹衣、防刺服的生产。UHMWPE纤维防护用品与芳纶、碳纤维防护用品及陶瓷、钢铁、合金防护用品相比，在保证防护性能的前提下，大大降低了防护用品质量。例如用于头盔可减重400 g左右，相当于壳体重的30%～40%，可大大减轻使用人员的负担，所以深受欢迎。在轻质装甲方面，UHMWPE纤维有很好的应用前景，如可用于直升机防护装甲、坦克装甲、装甲车装甲等，仅装甲一辆坦克或装甲车就需要UD产品400 kg或更多，如果能推广使用，用量将十分可观。随军备水平的提高，对UHMWPE纤维的需求也将越来越多。UHMWPE纤维防护用品的使用温度可低至零下150 ℃,已经超出地球低温极限，而芳纶在零下30 ℃就会失去防弹性能，因此在高寒地区，UHMWPE纤维产品是防护用品的首选。防割用品包括防割手套、防割套袖等，主要用于工业生产防护、警用防护，与含不锈钢丝的防割用品相比，UHMWPE防割用品具有耐疲劳性好、 使用寿命长、防护性能好的优点。UHMWPE纤维与树脂复合材料的抗冲击韧性非常好，具有较强的比冲击吸收能量，分别是玻璃纤维复合材料、芳纶及碳纤维的1.8倍、2.6倍及3倍。因此该种复合材料在防冲击吸能领域具有非常好的应用。例如用于防弹的避弹衣、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；用于高危环境下的防冲击护具，如警用防刺服、矿工防砸头盔等。随着世界热点地区的紧张局势加剧，该纤维生产成本下降及民间消费水平的提高，该纤维在防冲击吸能领域有着非常好的发展前景。

2.2.3 渔业

目前，合成纤维已成为制作渔网的最普遍的材料。在网线强度相同的条件下，用UHMWPE纤维加工成的渔网比普通的纤维要轻至少40%，能够极大地提高捕捞作业的劳动效率，减少渔船能耗。UHMWPE纤维用作深海养殖网箱，可以制作得无限大，良好的机械性能又能够很好地防治食肉鱼对经济鱼类的猎杀，有效地控制养殖成本及风险。

2.2.4 休闲体育用品

由于UHMWPE纤维复合材料比强度、比模量高，韧性和损伤容限好，因此制成的运动器械质量轻且结实耐用。如今，UHMWPE纤维被用作网球拍、滑雪板、冲浪板等体育用品的骨架材料，以其优良的性能，赢得了使用者的喜爱。

2.2.5 其它复合材料的应用

UHMWPE纤维作为一种性能优异的材料，很多科研人员希望能够通过界面改性、合理结构与混杂形式的优化等方面，研究开发新一代高性能复合材料，拓展其应用领域。一些相对比较成熟的研究成果给UHMWPE纤维的应用提供了更多的可能。UHMWPE纤维主要以各种复合材料的形式使用，UD 布实际上就是一种UHMWPE纤维复合材料，它是将UHMWPE纤维平行排布后浸渍树脂制成的预浸料。各种防弹板材、防护装甲都是UHMWPE纤维复合材料。

除防护领域外，UHMWPE复合材料可广泛用于航空领域、体育器材、轻质耐压容器、高强复合板材、建筑增强材料、汽车减震材料等，具体产品如飞机驾驶舱内壁、飞机座舱防弹门、各种飞机结构材料、球拍、滑雪板、安全帽、高压贮气罐、建筑隔板、增强水泥构件、汽车内壁、汽车缓冲板等，还有很多应用领域有待开拓。

(1) 航空航天结构材料：由于UHMWPE纤维复合材料质轻、高强、 耐冲击，适用做于飞机一些非高温部位的金属替代材料，现已在飞机翼尖等领域有所使用。

(2) 薄壁耐压容器：利用UHMWPE纤维高强高模的性质及耐化学腐蚀性能好的特点，以其为原料制作的复合材料制成的高性能薄壁高压容器，能够用于存储较为广泛的气体或液体介质。它的形状转化效率高达97%，耐压容器性能系数比芳纶制品高 45%。

(3) 水上结构材料：以UHMWPE纤维复合材料制成的船身具有质量轻、使用寿命较长的特点，可用其制作潜望镜和海上平台等结构材料，也可用于制作帆船风帆。

(4) 高性能轻质雷达罩：UHMWPE纤维的介电常数低，介电损耗值低，电信号失真小，透射系数高，用于雷达罩基材各方面的性能参数均高于现在常用的玻璃纤维，是制作高性能轻质雷达罩的首选材料。

(5) 医用高分子材料：UHMWPE纤维的生物相容性和耐久性都较好，化学稳定性好，不会引起人体的过敏反应和生物排斥反应，可以用作医用缝合线及人造器官，例如人造关节、人造韧带、人造肢体等。

2.3 UHMWPE纤维市场需求的发展趋势

今后几年将是国内UHMWPE产业继续高速发展的时期，新企业的建成投产和现有企业产能扩大都将飞速发展，其发展速度将远超国内对UHMWPE纤维及其制品的需求增长速度，所以国内UHMWPE生产企业主要应对的将是国际竞争，而如果想在国际市场争取更大的份额,除了价格因素,产品质量的提升将是重中之重。相信未来几年，国内UHMWPE产业的发展必将跃上新的台阶[6]。国产UHMWPE纤维的发展对我国的国防建设和军事装备也有着不同寻常的战略意义。随着我国UHMWPE纤维规模化工业生产的日益成熟，加上生产成本和产品价格的下降，必将带动其在国防和民用领域的研究和发展，尤其是在民用领域(绳缆、远洋渔网、海上养殖、劳动防护类等)。鉴于UHMWPE纤维本身所具有的良好性能，应立足于防护、 绳缆两大市场,做好纤维改性、与其它材料进行复合的研究工作，开拓新的用途，尤其是深海、远洋、航空航天、极地科考等尖端技术领域。在防护领域和绳索领域，UHMWPE纤维的应用技术已经相对较为成熟，对国内UHMWPE纤维生产企业和应用企业来讲，应该在其它复合材料领域多投入研究开发，解决UHMWPE纤维的表面改性技术、抗蠕变技术、着色技术，并提高产品均匀性，尽快开发出适合市场需求的高性能复合材料产品，重点向量大面广的民用领域发展，避免低价竞争，提高产品质量，以质取胜。

目前世界范围对UHMWPE纤维防弹无纬布材料的需求每年至少在28 000 t以上，并以每年25%左右的速度递增，但全球目前实际供给能力只有15 000 t/a左右。在未来10年，世界UHMWPE纤维的年需求量将达到10万t以上，市场潜力巨大。

3 结 语

UHMWPE纤维是我国唯一具有国际竞争力的高性能纤维，因此加大国产化工艺技术的开发和研究，对促进和引导我国纺织工业结构由低附加值、低科技含量、 粗放型向高附加值、高科技含量、集约型方向调整，打破国外对我国相关产业的技术垄断，特别是对国防军工产业的高端产品实施的封锁，具有非常重要的现实意义。

目前，我国 UHMWPE 纤维的生产技术以石蜡油为溶剂的工艺路线比较成熟,但产品仍属于低端产品。与国外技术相比，我国工艺在单机产量、产品质量、消耗成本方面差距仍较大。而干法纺丝工艺流程短，纺丝速度高，产品质量较好,溶剂对环境的影响小，因此建议进一步研究UHMWPE纤维的干法纺丝工艺，尤其是干法纺丝中十氢萘的回收技术，并进行设备和生产工艺的优化，提高单机产量,实现更大的规模化生产，以技术进步带动产业升级。

参 考 文 献：

[1] 我国超高分子量聚乙烯纤维现状和展望[EB].http://chemsino.com,2014-04-25.

[2] 武红艳.超高分子质量聚乙烯纤维的生产技术和市场分析[J].合成纤维工业，2012,35(6):38-42.

[3] 钱伯章.国内外超高强度聚乙烯纤维研发和生产现状[J].橡塑资源利用，2011(4):34-38.

[4] 顾超英，赵永霞．国内外超高分子质量聚乙烯纤维纤维的生产与应用[J].纺织导报，2010(4):52-55．

[5] 任意.超高分子质量聚乙烯纤维性能及应用概述[J].广州化工,2010(8)：87-88．

[6] UHMWPE纤维前景看好[EB].http://www.chinairn.com，2014-02-11.