国内外超高分子质量聚乙烯纤维产业化及开发应用进展

杨正国

(中国石化仪征化纤股份有限公司销售服务部，江苏仪征 211900)

超高分子质量聚乙烯纤维是世界三大高性能纤维之一，也是国内大规模产业化进程最具前景的高性能纤维之一，其具有高强、高模、低密度、抗紫外线、耐酸碱、耐有机溶剂等优异性能，已经成为国防现代化建设、航天航空事业及国民经济高速发展不可或缺的新材料。国外产能主要集中荷兰DSM、美国Honeywell和日本东洋纺，国内企业自1999年开始产业化以来，目前已经能够完全依靠自主专利技术、国产设备、国产原料进行生产，先后出现了30家左右的生产企业，主要分为干法纺丝和湿法纺丝两种，干法纺丝技术主要是中国石化仪征化纤股份有限公司在采用，其余厂家均采用湿法纺丝技术。

1 国内外产业化发展现状

1.1 国外发展概况

国外超高分子质量聚乙烯纤维专利申请最早是由荷兰DSM公司高级技术顾问Penning Smith等在1978年提出的，之后该技术被Allied－Singal(美国联信)公司购买，并在1984年开始产业化进程，最后被Honeywell公司收购。与此同时，荷兰DSM公司也于1984年开始产业化工作，最初与日本东洋纺公司合作，后来DSM公司除了与东洋纺在日本合资生产外，也在荷兰本土和美国独资建厂，经过几次扩产，形成了如今的生产规模。据日本化学纤维协会2012年公布的统计资料显示，DSM公司总产能已经达到8 400 t/a，其中纤维生产能力6 000 t/a;日本东洋纺总产能已经达到3 200 t/a。在美国Honeywell公司的公开资料上显示，产能仅900 t/a，但估计实际产能有2 000 t/a。表1为国外超高分子质量聚乙烯长丝厂商2013年产能估计。

表1 国外超高分子质量聚乙烯长丝厂商2013年产能估计

国外生产企业具有以下特点:

a)生产高度集中。由于专利保护及相关的国家政策，国外的产能历经近30年的发展，多次进行扩产，但依然集中在原有的企业，这样不仅有利于国家对国防技术材料的支持和利用，也有利于企业自身能够良性发展，避免市场无序竞争带来的影响。

b)技术实力雄厚。国外的几家生产企业均是跨国大公司，技术实力雄厚，人才济济，非常重视研发和创新，近10年来，产品纤维的强度提高了50%以上，在产品应用上的提高和开发也有很大的进步，就目前传统的防弹产品和防切割手套来说，国内外产品档次都有较明显的差异。

1.2 国内发展概况

国内超高分子质量聚乙烯纤维的研究工作始于20世纪80年代，主要由东华大学和中国纺织科学研究院分别进行研究，1999年开始实现产品产业化。经过10余年的发展，目前国内共有超高分子质量聚乙烯纤维生产企业近30家，总产能9 530 t/a，实际产量5 620 t/a，2012年国内生产企业产能情况见表2所示。

表2 2013年国内超高分子质量聚乙烯纤维产能情况 t/a

国内产业化发展的现状主要有以下特点:

a)发展迅猛，但部分投资有些盲目。2007年以前，国内超高分子质量聚乙烯长丝生产企业仅3家左右，产能1 000 t/a左右，从2007年开始，国内掀起高性能纤维建设热潮，项目建设开始逐步增多，发展到目前近30家生产企业，产能增加7倍左右到8 680 t/a，生产技术逐步成熟。但在发展过程中，有个别企业在从未涉足化纤领域行业的背景下，受个别科研院所和设备推广企业的影响，盲目上马项目，因产品质量水平低下及市场竞争压力大，已经有3家以上企业处于长期停产状态，部分企业后续项目缓建。

b)质量提升很快，但各家参差不齐。国产超高分子质量聚乙烯纤维质量在近几年总体上有了较大的进步，特别是在2008年以后，常规物理指标强度、模量及均匀性都逐渐接近DSMSK75水平(表3)。由于国内投资企业较为分散，背景各有不同，化纤生产技术实力和管理水平差异很大，相应产品质量差异也较大，化纤生产技术实力较强的企业产品质量处于较好的水平，如中纺投资北京同益中、中石化仪征化纤、杭州翔盛集团，部分产量较低的企业产品质量较差，且不稳定，市场竞争力低下。

表3 国产超高分子质量聚乙烯纤维与DSM SK75物理指标对比

c)企业产能较低，且普遍开工不足。国内超高分子质量聚乙烯纤维生产企业目前能做到满负荷生产的企业仅3家左右，大多数企业处于低负荷状态或间歇生产状态。在近30家的生产企业中，产量达到1 000 t以上的企业仅1家，300 t以上的企业仅有6家左右，小型企业众多造成市场竞争混乱。国内产量仅次于美国，但竞争力与荷兰、日本、美国这前3个国家相比，有很大差距。从国内2012年的产能和实际市场投放量来看，2012年实际开工率不足60%，产能浪费较大。

d)纤维应用开发水平较低，投入不足。国内企业的整体市场仍集中在传统的绳缆、防切割手套和防弹领域，大多数生产企业或者研究院所对高新纤维在新应用上的开发能力不足，特别是小型生产企业根本没有能力进行产品应用的开发，也没有投入。即使是在传统应用领域，也仍然需要纤维生产企业不断进行专用料的细分开发，如国内近几年快速增长的防切割手套应用，与DSM公司的耐切割纤维相比，国内纤维在强度、模量等常规物理指标相近的情况下，产品防切割性能仍然有一定的差异。在防弹领域，尽管国内的防弹材料已经有较大的进步，但是和国外DSM公司防弹材料相比，在防护能力和柔软舒适度方面仍然有一定的差距，这也要求我们的防弹产品应用开发和纤维防弹专用料的质量提升要同步进行。

2 超高分子质量聚乙烯长丝开发应用情况

在国际市场上，超高分子质量聚乙烯长丝的用途主要是绳网和防护领域，占总市场份额的95%左右，其余为新应用开发领域。近年来包括民用纺织品在内的许多行业都在对该产品的应用进行研究，试图将高性能聚乙烯纤维的优异性能充分发挥，但目前此类研究的水平仍然处于初级阶段，国内新应用领域用量更是很少。2012年由于全球经济危机影响，产品应用形式有所变化，防护领域占市场总量比例由以前的60%上升到75%左右，绳缆领域占总市场量比例减少到20%。

中国是超高分子质量聚乙烯纤维生产、使用大国，但非强国，国内近30家生产企业产量仅与DSM公司产量相当，国内产品大部分还是以纤维形式或者加工成品形式进行出口，如防切割手套主要是出口订单。在国际市场应用上，欧美以防弹产品为主，日本、韩国等亚太地区以绳网和防切割手套产品为主。

2.1 绳缆应用

绳缆的应用是产品高强特性的直接体现，也是产品应用中较为重要的用途之一。超高分子质量聚乙烯绳缆与普通绳缆相比，质量更轻、强度更高，Φ30 mm以上的粗绳缆主要用于船用缆绳，较细规格的绳缆主要用于电力工程牵引、体育休闲等，特别是电力工程牵引应用方面，其高强、轻便、安全的特性使其近几年以来在电力工程领域得到了广泛的发展［1］。目前国产纤维随着质量的提高，产品性能完全能够达到DSM SK75的水平，但是与DSM公司的SK78和SK90相比，仍然存在较大差距，后者主要用于耐久性离岸泊留绳缆和顶级航海帆船用绳缆。表4为国产超高分子质量聚乙烯纤维绳缆与DSM SK75绳缆破断拉力对比的情况。

表4 国产超高分子量聚乙烯纤维绳缆与DSM SK75绳缆破断拉力对比

DSM公司针对绳缆用纤维的要求，除了推出强度更好的绳用纤维系列外，还开发出了低蠕变纤维产品DM20，预测由其加工的绳缆经受标准条件下25年的蠕变伸长率＜0.5%，是DSM现有SK78产品的2%，并保持了SK78原有优异性能，适合用作深水作业永久系泊绳缆。

2.2 防弹材料应用

超高分子质量聚乙烯长丝经过单向铺布热压后，形成0/90°的片材，用于生产软、硬质防弹衣，防弹机理主要是利用纤维的断裂功和能量扩散来消耗子弹的能量，达到抗冲击、防弹的目的［2］。目前国内有6家纤维生产企业在直接从事防弹片材的生产，有5家企业购买纤维来进行聚乙烯防弹材料的生产。国内防弹材料主要用于军队、公安系统的采购及产品出口的需求。近几年来国产超高分子质量聚乙烯防弹材料防弹效果有了较大的提升，但是与DSM公司相比仍然有一定差距，表5为国产超高分子质量聚乙烯纤维UD材料与DSM公司相同产品的防弹效果对比。

表5 国产超高分子量聚乙烯纤维UD材料防弹效果对比

Honeywell和DSM公司投入大量人力物力对超高分子质量聚乙烯防弹制品进行应用研究，研究方向一是不断提高纤维的性能以提高防弹效果;二是用不同特性的纤维和基质树脂进行种类、用量、结构和制备工艺的组合创新，得到质量轻、性能优和成本低的防弹制品;三是对防弹制品及其组成材料进行改性处理，得到耐环境、耐磨损等功能的防弹制品。如荷兰DSM公司近期开发了利用超高分子质量聚乙烯条带“BT10”作为防弹车辆使用材料，质量更轻、成本更低，更具有市场竞争力，且易于加工;Honeywell公司生产的Spectra ShieldⅡ SA 4144与第一代材料相比，可提高防弹性能25%，并减轻质量30%［3］;将玻纤织物、芳纶机织物和超高分子质量聚乙烯UD布分别用作头盔纤维增强树脂复合热压材料的外层、中间层和内层，充分发挥不同纤维织物的性能优势，所得到的防弹头盔性能得以提高，成本降低，已经应用于美军和亚洲士兵的防护［4－5］;改变基质树脂在复合材料不同位置的质量分数的分布或结晶性亦可以提高防弹制品的性能;经过硅氟化合物处理的防弹制品增强了对海水、枪油和磨耗的耐受性，有的还提高了防弹性能［6－7］。中国国内防弹材料生产商虽然研发投入不如上述公司，但是也进行了积极开发，如用芳纶和超高分子质量聚乙烯复合生产无纬布用于头盔等硬质材料的生产，产品对芳纶和超高分子质量聚乙烯的特性进行互补，防弹性能得到了提高［8］。

2.3 防切割手套应用

超高分子质量聚乙烯纤维与其它纤维如涤纶、尼龙、氨纶、玻纤等进行包覆缠绕后，进行手套的编织，所做手套具有防切割、耐摩擦、抗撕裂、防穿刺等特点，在给劳动者提供更好防护的同时，手套的使用寿命也得到了延长。随着中国产纤维低成本的市场介入，2010年开始市场需求有了较大的增长。2008年国内警用防切割手套的配备也促成了一定的市场需求，到目前为主，手套领域市场需求仍保持较高的增长。国产纤维的防切割性能和耐磨性能与DSM公司产品相比有一定的差距。DSM公司近年来也在推广其新开发的钻石产品，主要在纤维中加入了硅铝钙镁氧化物的矿物质，大幅提高了原有纤维的耐切割性能［9］，在将该纤维与聚酰胺和聚氨酯包覆后，在不使用钢丝和玻纤的情况下，可以达到EN388的4级防切割标准。国内企业目前色丝技术逐渐成熟，有色超高分子质量聚乙烯纤维的出现使得原有的色彩单调的防切割手套颜色更加丰富，品种更加齐全。

3 存在的问题及发展建议

a)尽管国内超高分子质量聚乙烯纤维发展出现了过热现象，但是纤维本身优异的特性使得其在各个领域的应用不断发展，市场需求一直处于高速增长状态。针对国内超高分子质量聚乙烯长丝企业的特点及分布情况，需要国家或者行业协会积极引导部分企业做大、做强，形成能代表国内发展水平的龙头企业，这些企业不仅要在纤维生产方面加大投入，在纤维应用技术和市场拓展方面更要加大投入，通过自主创新或与高等院校、科研院所技术合作，不断开发新的应用领域，并形成一整套纤维应用技术指导体系，引导下游企业生产，带动整个行业快速发展。

b)国内超高分子质量聚乙烯生产企业已经近30家，质量水平参差不齐，竞争激烈，在此情况下，需要出现行业联盟，在价格、质量、应用等方面共同维护，规范市场秩序，引导市场健康、有序发展。

c)加快产品出口，国内市场供需严重失衡，产能浪费，在质量提升的基础上，开拓国际市场不仅能有效缓解国内竞争的压力，而且能够提升国际社会对中国高新技术产品的认同感，增强国际品牌效应。

d)在当前供需过剩的情况下，国内超高分子质量聚乙烯纤维生产企业的产品利润空间已经被压缩到了亏损的边缘，只有进一步加快技术进步，降低生产成本才能提升国际竞争力。目前国内无论干法还是湿法生产工艺，单线产能、浆料浓度等与国外同行企业相比，都有较大的差距，同时也说明在生产成本方面，还有较大的潜力可挖，因此国内企业应该注重研发，促进科技进步，才能对未来万吨级项目建设和下游应用开拓产生积极的推动作用。

［1］ 李庆林，郭学闻，彭小武.迪尼玛高强绝缘绳在输电线路工程施工中的应用［J］.广西电力建设科技信息，2006，1:17－20.

［2］ 杨丁丁，李龙.防弹衣的防弹影响因素及其服用性能的分析［J］.山西纺织，2005，2:9－11.

［3］ 霍尼韦尔国际公司.用于硬装甲应用的复合防弹织物结构:中国，101855509［P］.2010 －10 －06.

［4］ 霍尼韦尔国际公司.防护头盔:中国，101662963［P］.2011－12－14.

［5］ 霍尼韦尔国际公司.防步枪子弹的头盔:中国，101946151［P］.2011－01－12.

［6］ 霍尼韦尔国际公司.基于氟碳改性粘合剂的耐环境防弹复合物:中国，101680731［P］.2010 －03 －24.

［7］ 霍尼韦尔国际公司.制造耐环境的软盔甲复合材料的方法:中国，101680730［P］.2011 －03 －24.

［8］ 励佰芳.一种复合UD无纬布的制作方法及其应用:中国，10128527［P］.2008 －10 －15.

［9］ 罗益峰.近期国外高强高模纤维发展概况［J］.高科技纤维与应用，2011.06:3 －4.