羅益峰

本文簡(jiǎn)述了近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)美日在高性能纖維領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)情況以及今后中日兩國(guó)間將出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì),重點(diǎn)介紹了日本今后的技術(shù)研發(fā)方向,同時(shí)還論述了不同種類的高性能纖維在某些重要應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的相互競(jìng)爭(zhēng)。世界高性能纖維行業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)將迫使各公司不斷加大研發(fā)創(chuàng)新的投入,幫助用戶進(jìn)入“量體裁衣”的時(shí)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世紀(jì)后50年,美國(guó)為確保其軍事、尖端科學(xué)和支柱產(chǎn)業(yè)在全球的領(lǐng)先地位,一直是世界高性能纖維的開發(fā)先鋒,并將其作為重要的技術(shù)支撐嚴(yán)格掌控。80年代后,特別是邁入21世紀(jì)以來(lái),日本靠不斷壯大具有世界領(lǐng)先水平的碳纖維產(chǎn)業(yè),將美國(guó)新開發(fā)的高性能纖維在日本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,并兼并國(guó)外優(yōu)勢(shì)品種的事業(yè)部,使日本的弱勢(shì)品種迅速提升到世界先進(jìn)水平,從而確立了現(xiàn)今在世界高性能纖維領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。無(wú)論是產(chǎn)品的種類、系列化開發(fā)、性能指標(biāo)還是生產(chǎn)成本,日本的高性能纖維產(chǎn)業(yè)均具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。隨著以中國(guó)為首的新興國(guó)家的崛起,以及2008年世界金融危機(jī)和經(jīng)濟(jì)不景氣的影響,日本開始預(yù)感到未來(lái)的發(fā)展危機(jī),從而制訂了一系列政策措施以保持其優(yōu)勢(shì)地位。除了國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)外,同類產(chǎn)品間以及重要應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)不同類產(chǎn)品間的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也愈加激烈,而不同公司在同一產(chǎn)品上的競(jìng)爭(zhēng)則不言而喻了。

1主要生產(chǎn)國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)

1.1美國(guó)與日本

美國(guó)自1955年開發(fā)聚四氟乙烯(PTFE)纖維后,便拉開了開發(fā)高性能纖維的序幕,其中DuPont(杜邦)的PRD研究室先后開發(fā)出了聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA)、聚酰亞胺(PIM)、聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA)、聚二唑(PODZ)、聚酰胺酰肼(X – 500)、聚苯并雙噻唑(PBTZ)、聚苯并雙唑(PBO)、聚芳酯(LCP)、聚丙烯腈(PAN)、粘膠和瀝青基碳纖維、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熱處理纖維(HT – 4)、蜜胺(MLA)、聚苯硫醚(PPS)及一系列無(wú)機(jī)纖維和大絲束碳纖維等。同時(shí)引進(jìn)本國(guó)缺乏的品種如超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維并加以創(chuàng)新和發(fā)展,從而奠定了美國(guó)在世界高性能纖維領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

然而,自80年代起日本開始把投資重點(diǎn)由常規(guī)合纖轉(zhuǎn)向高科技纖維,通過扶持大阪工業(yè)試驗(yàn)所和九州工業(yè)試驗(yàn)所先后開發(fā)的高性能PAN基和瀝青基碳纖維(P – CF)逐漸強(qiáng)大,形成了二戰(zhàn)后日本居世界領(lǐng)先水平的十大支柱產(chǎn)業(yè) 之一。

其次,日本將一些美國(guó)公司開發(fā)的新品種以合作為名在日本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,最后發(fā)展成日本獨(dú)有的產(chǎn)品,如美國(guó)金剛砂公司開發(fā)的酚醛纖維Kynol轉(zhuǎn)至日本Kynol公司生產(chǎn)后,被日本最大的酚醛纖維生產(chǎn)企業(yè)群榮化學(xué)公司兼并,成了產(chǎn)能達(dá) 800 t/a的世界唯一生產(chǎn)商;又如聚芳酯纖維Vectran?,由美國(guó)Celanese(塞拉尼斯)公司開發(fā)后移送到日本可樂麗公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,隨后美國(guó)公司退出;再如PBO纖維Zylon?,最早由美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室委托兩家大學(xué)進(jìn)行基礎(chǔ)研究,隨后由杜邦公司和Dow Chemical(陶氏化學(xué))進(jìn)行中試,最后卻轉(zhuǎn)至東洋紡?fù)懂a(chǎn),產(chǎn)能為 300 t/a;還如杜邦所生產(chǎn)的PPTA纖維Kevlar?,當(dāng)時(shí)日本屬空白,東麗公司率先于1994年與杜邦達(dá)成合資協(xié)議,成立了東麗 – 杜邦Kevlar公司,產(chǎn)能為 2 500 t/a。此外,東洋紡還與荷蘭DSM公司達(dá)成合作協(xié)議,利用DSM的UHMWPE樹脂進(jìn)行凝膠紡絲試驗(yàn),成功后分別在兩國(guó)建廠,目前在荷蘭和日本的產(chǎn)能分別為 4 500 t/a和 1 600 t/a,而東洋紡先后又開發(fā)了通過干法紡絲將重均相對(duì)分子質(zhì)量為 50 萬(wàn)的PE制成高性能PE纖維,以及用熔紡法制高強(qiáng)PE纖維的新品種,大大提高了生產(chǎn)效率,且后者的耐切割性超過了Dyneema?和Kevlar?,現(xiàn)總產(chǎn)能已達(dá) 3 000 t/a,而其專利所發(fā)表的UHMWPE纖維的最高強(qiáng)度達(dá)到了 53 cN/dtex。

除了合作開發(fā)以外,日本還通過兼并、收購(gòu)國(guó)外優(yōu)勢(shì)品種等手段,使其弱勢(shì)品種很快提升到世界先進(jìn)水平。三菱人造絲公司于1993年兼并了英國(guó)Courtaulds(考陶爾茲)在美國(guó)的PAN基碳纖維(PAN – CF)企業(yè)Hysol Grafil公司,隨后又委托英國(guó)RK碳纖維公司生產(chǎn)小絲束PAN – CF,使之在日美歐均有生產(chǎn)基地,并使總產(chǎn)能突破萬(wàn)噸大關(guān),保持了世界第三大碳纖維生產(chǎn)商的地位。帝人公司于2000年收購(gòu)了荷蘭AKZO NOBEL(阿克蘇?諾貝爾)的PPTA纖維Twaron事業(yè)部,并投資 1 400 億日元將其產(chǎn)能擴(kuò)至 1.85 萬(wàn)t/a,2008和2009年又先后擴(kuò)至 2.35 萬(wàn)t/a和 2.65 萬(wàn)t/a,加上其Technora?共聚纖維的產(chǎn)能 3 000 t/a,形成了唯一可與Kevlar?相競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品。東麗公司于2002年1月兼并了美國(guó)ATY公司的PPS纖維事業(yè)部,使自身的PPS纖維總產(chǎn)能達(dá)到 1 600 t/a,一躍成為當(dāng)時(shí)世界最大的PPS纖維生產(chǎn)商,這樣日本 4 家公司的總產(chǎn)能已超過 7 000 t/a,保持了世界領(lǐng)先水平,其中有約 20% 的產(chǎn)品輸入我國(guó)。總之,美日間經(jīng)過近 40 年的競(jìng)爭(zhēng),到2008年日本已明顯占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

1.2日本與中國(guó)

至2008年,我國(guó)已實(shí)現(xiàn)主要高性能纖維基本品種的產(chǎn)業(yè)化,參與PAN – CF產(chǎn)業(yè)化的廠家不下 15 個(gè),其中威海拓展纖維有限公司與中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司已實(shí)現(xiàn)了 1 000 t/a的產(chǎn)業(yè)化,纖維強(qiáng)度約 3.6 ～ 3.8 GPa,預(yù)期2010年全國(guó)將有百噸級(jí)以上的生產(chǎn)廠家 10 家,最大的可望達(dá)到 3 000 t/a,現(xiàn)小試已可制得強(qiáng)度分別為 4.9 和 5.5GPa的PAN – CF,屆時(shí)有望實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化;PPTA纖維約有 7 家公司正推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化,到2010年產(chǎn)能大都為千噸級(jí)水平;UHMWPE纖維自1999年由寧波大成新材料公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后,現(xiàn)有 10 多家百噸級(jí)以上的生產(chǎn)廠家,其中上海斯瑞聚合體科技有限公司的產(chǎn)能據(jù)稱已達(dá)到 3 000 t/a的水平,預(yù)計(jì)到2010年將有 7 家工廠達(dá)到千噸級(jí)的生產(chǎn)規(guī)模;在PMIA纖維方面,現(xiàn)有 3 家千噸級(jí)的生產(chǎn)企業(yè),其中煙臺(tái)氨綸股份有限公司的產(chǎn)能已擴(kuò)至 3 400 t/a,預(yù)期到2010年我國(guó)自行開發(fā)的芳砜綸也將達(dá)到 1 000 t/a的水平;PPS纖維有數(shù)家公司生產(chǎn),其中四川德陽(yáng)科技股份有限公司已建成 500 t/a的產(chǎn)能,其他有一些是利用VC 405的滌綸短纖生產(chǎn)裝置來(lái)轉(zhuǎn)產(chǎn)PPS纖維;在玄武巖(BS)纖維方面,目前至少有 4 家百噸級(jí)的生產(chǎn)工廠,到2010年至少有 2 家可望達(dá)到千噸級(jí)規(guī)模。上述纖維生產(chǎn)企業(yè)大都有自己的專利,包括目前尚處于研制階段的PBO和蜜胺共混纖維等,都有自己的技術(shù)特色。

針對(duì)以中國(guó)為首的新型國(guó)家的崛起,日本媒體預(yù)測(cè),今后世界高性能纖維領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將進(jìn)一步激化。為此,日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省修訂了“2006年日本下一代技術(shù)戰(zhàn)略圖”并出臺(tái)了“2007技術(shù)戰(zhàn)略圖”,在 25 個(gè)領(lǐng)域中都追加了高新技術(shù)纖維的內(nèi)容,目的是維持日本在高科技纖維領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位。以下內(nèi)容僅將戰(zhàn)略圖中涉及高性能纖維的部分加以簡(jiǎn)述,供參考。戰(zhàn)略圖首先提出了評(píng)價(jià)重點(diǎn)課題的主軸線(相當(dāng)于指南),然后提出在材料和安全方面的重點(diǎn)課題、碳纖維重點(diǎn)課題、建筑、IT(信息技術(shù))和生活資材領(lǐng)域的重點(diǎn)課題,以及 3 個(gè)基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)路線。

1.2.1重點(diǎn)課題的評(píng)價(jià)軸線(纖維領(lǐng)域)

(1)應(yīng)對(duì)社會(huì)需求的技術(shù)

? 應(yīng)對(duì)資源(包括替代石油)和能源的技術(shù);

? 應(yīng)對(duì)安心和安全度的相關(guān)技術(shù);

? 提高功能性和便利性的相關(guān)技術(shù);

? 基于其它政策要求的技術(shù)。

(2)技術(shù)優(yōu)越性

? 技術(shù)的難易度(高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù));

? 技術(shù)本身的先進(jìn)性和進(jìn)步性(未來(lái)的高技術(shù));

? 具有國(guó)際領(lǐng)先性的技術(shù)(與國(guó)際研究水平比較);

? 與其它材料相比較,可發(fā)揮纖維材料優(yōu)越性的技術(shù);

? 能帶來(lái)新功能或大幅度提高性能的技術(shù)。

(3)市場(chǎng)影響力

? 與開創(chuàng)或擴(kuò)大市場(chǎng)相關(guān)的技術(shù);

? 涉及到多領(lǐng)域且效果大的技術(shù)(不僅涉及直接開發(fā)對(duì)象的制品和部件,還包括可望應(yīng)用于汽車和IT等其它領(lǐng)域的技術(shù));

? 能在產(chǎn)業(yè)界形成共同基礎(chǔ)(包括評(píng)價(jià)技術(shù))的核心技術(shù),以及可望廣泛應(yīng)用的技術(shù);

? 成本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)所不可缺的技術(shù)。

1.2.2碳纖維重點(diǎn)課題(表 1)

建筑領(lǐng)域的重點(diǎn)課題,還包括高強(qiáng)度纖維與基體的粘合技術(shù)以及高強(qiáng)度纖維的高效和低成本制造技術(shù)、高韌性混凝土與纖維相配合基體的最佳化等。在基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)課題還包括:(1)納米復(fù)合纖維的研發(fā),如通過碳納米管增強(qiáng)纖維技術(shù)的開發(fā),實(shí)現(xiàn)通用纖維的高性能化,包括超高韌性和強(qiáng)度的平衡、高強(qiáng)纖維的低模量化技術(shù)、纖維非晶領(lǐng)域的分子結(jié)構(gòu)控制技術(shù);(2)納米混雜聚合物的設(shè)計(jì)、紡絲與碳化技術(shù),包括高強(qiáng)聚酰胺和聚酯纖維的工業(yè)化技術(shù)開發(fā)、高強(qiáng)芳酰胺纖維的工業(yè)化技術(shù)開發(fā)、超高相對(duì)分子質(zhì)量化及其拉伸技術(shù)開發(fā);(3)由天然原料開發(fā)碳纖維原絲、超高強(qiáng)度纖維素纖維的開發(fā);(4)創(chuàng)新的碳纖維,包括熔紡碳纖維原絲的開發(fā)、聚合物的設(shè)計(jì)與合成、紡絲與碳化技術(shù)、高速紡絲技術(shù)、低溫碳化技術(shù)等。

最近,帝人公司在荷蘭興建了噴射紡絲法生產(chǎn)新型Twaron?漿粕的中試廠,它具有穩(wěn)定的高溫粘合性,可用于制造具有高化學(xué)和熱穩(wěn)定性的工業(yè)用紙?？蓸符悇t在將Vectran?纖維的產(chǎn)能擴(kuò)充至 1 000 t/a的同時(shí),在2008年北美Techtextil(亞特蘭大)上推出了溶液染色的Vectran? HT新品種,有藍(lán)、綠、橘紅等色澤,其抗紫外光性、色牢度和強(qiáng)度較好,同時(shí)還導(dǎo)入了細(xì)旦絲產(chǎn)品。靜岡大學(xué)采用超臨界醇新技術(shù),將CFRP中的熱固性和熱塑性樹脂分解,使碳纖維無(wú)損地分離回收,而且也可將回收的樹脂再利用。此外,據(jù)日本近 12 年的專利統(tǒng)計(jì),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 個(gè)階段所發(fā)表的高強(qiáng)纖維及提高纖維強(qiáng)度方面的專利數(shù),分別為 164、256 和 194 篇,合計(jì)為 614 篇;提高耐熱性方面的分別為 330、376 和 410 篇,合計(jì)為 1 116 篇;提高難燃性和防火性的則分別為 230、346 和 284 篇,合計(jì)為 860 篇,可見日本在高性能纖維的技術(shù)創(chuàng)新上下了較大的工夫。

2相同應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)不同品種間的競(jìng)爭(zhēng)

表 2 列出了 5 種主要高強(qiáng)高模有機(jī)纖維在各應(yīng)用領(lǐng)域適用性上的對(duì)比情況,可以看出,不少領(lǐng)域是 5 種纖維都適用的,其競(jìng)爭(zhēng)取決于幾者之間的性價(jià)比及所需性能的高低。例如在防彈衣和防彈板領(lǐng)域,在防彈性能相差較小時(shí),對(duì)部隊(duì)裝備來(lái)說(shuō)就希望采用輕量的UHMWPE纖維復(fù)合材料;而當(dāng)需要耐高溫時(shí),則選擇PPTA;若需要輕量而又隱蔽的材料,則選用更高強(qiáng)度的PBO纖維等。

高性能纖維不斷幫助人類突破極限

(1)用UHMWPE纖維制成的漁網(wǎng)重量輕而強(qiáng)度超高;(圖片來(lái)源:DSM公司)

(2)風(fēng)力發(fā)電葉片中使用碳纖維后能耗比普通玻纖降低 40% 以上;

(3)PPS等纖維在防護(hù)工作服上的應(yīng)用使人們免受高溫、腐蝕性氣體等的傷害。