羅益鋒 羅晰旻

全球化學(xué)纖維從中長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，預(yù)計(jì)將以2.9%～3.0%的需求增長(zhǎng)，即從2013年的消費(fèi)量8 000萬(wàn)t增至2050年的2.53億t。全球纖維的加工量，中國(guó)已占50%以上，然而近年來(lái)隨著我國(guó)勞動(dòng)力成本的上升，出口歐美所占的份額不斷下降，而印度、越南和印尼等新興國(guó)家的纖維產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)。

功能高分子纖維是高科技纖維中品種最多、應(yīng)用領(lǐng)域極廣的特種纖維，與人民群眾的生活密切相關(guān)，是我國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的品種。在這種新形勢(shì)下，“十三五”期間除加大傳統(tǒng)化纖技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)將大力發(fā)展高附加值的高新技術(shù)纖維，特別是涉及環(huán)境（吸濕、吸濕防水、保溫、冬暖夏涼和生物自降解等）、安全（難燃、抗燃）、保健（抗菌、消臭、防紫外線、釋放負(fù)離子和富氧離子、各種醫(yī)用纖維等）、體育休閑（速干、吸汗、富有彈性、柔軟等）和智能化（光纖光柵傳感器、變相纖維、壓電纖維等）纖維。以下僅就幾種主要功能纖維的發(fā)展態(tài)勢(shì)和技術(shù)進(jìn)展，作簡(jiǎn)要的概述。

一、中空纖維分離膜

表1示出了中空纖維分離膜的不同分離原理、材質(zhì)及透過(guò)成分和非透過(guò)成分。

1.海水淡化用中空纖維反滲透（RO）膜及正滲透（FO）膜

中空纖維RO膜與卷式膜的差異在于單位體積的膜面積大10倍，可在低通量下實(shí)現(xiàn)大透水量和低污垢，易維護(hù)管理。

中空纖維RO膜，目前以日本東洋紡公司（簡(jiǎn)稱“東洋紡”）生產(chǎn)的三醋酸纖維素（CTA）為主導(dǎo)產(chǎn)品。因不怕氯等消毒劑的侵蝕，在全球特別是海灣等相對(duì)封閉和易滋生菌類的海域，它尤其適用作為海水淡化的材料。CTA中空纖維RO膜，在工藝技術(shù)上先后經(jīng)歷了高壓法、高透水性的低壓法和正滲透壓FO法的發(fā)展階段。東洋紡新開(kāi)發(fā)的CTA中空纖維FO膜，是利用膜兩側(cè)所流動(dòng)的液體濃度差，用很少的能量就可進(jìn)行海水淡化。

目前，沙特是東洋紡的中空纖維膜元件“Hollowsep”的最大客戶，并與東洋紡合作成立阿拉伯日本膜公司生產(chǎn)該元件，最近計(jì)劃興建60萬(wàn)m3/d的世界最大海水淡化廠，還將銷售到其他中東國(guó)家和北非國(guó)家。

日本為了開(kāi)發(fā)21世紀(jì)大規(guī)模海水處理系統(tǒng)，已將“百萬(wàn)噸水系統(tǒng)”列入最尖端研發(fā)支持計(jì)劃，目標(biāo)是采用日本原創(chuàng)、21世紀(jì)所需要的低成本、環(huán)境影響小又節(jié)能的核心水處理系統(tǒng)，建設(shè)百萬(wàn)噸水處理系統(tǒng)，到2020年海水淡化的目標(biāo)為1×106m3/d。

日本東麗工業(yè)株式會(huì)社（簡(jiǎn)稱“東麗”）、東洋紡、Daicene膜系統(tǒng)公司及神戶大學(xué)大學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)高效的中空纖維RO膜元件，向16英寸直徑元件的大型化邁進(jìn)，降低造水成本。圖1示出其演革過(guò)程。

2.中空纖維超濾膜（HFUFM）和微濾膜（HFMFM）

目前日本至少有10家生產(chǎn)HFUFM和HFMFM的廠家，代表性企業(yè)有三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社（簡(jiǎn)稱“三菱麗陽(yáng)”）、可樂(lè)麗株式會(huì)社（簡(jiǎn)稱“可樂(lè)麗”）和旭化成化學(xué)株式會(huì)社（簡(jiǎn)稱“旭化成化學(xué)”）等。美國(guó)至少有10家生產(chǎn)廠家，代表性企業(yè)有Celgard、陶氏化學(xué)、Koch工業(yè)等。材質(zhì)呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，有聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PS）、醋酸纖維素（CA）、聚丙烯晴（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、乙烯-乙烯醇共聚物（EVA）、聚醚砜（PES）等。

我國(guó)有近百家企業(yè)，幾乎涵蓋了上述各種材質(zhì)，代表性的廠家有天津膜天膜科技發(fā)展有限公司、北京碧水源科技股份有限公司和海南立升凈水科技實(shí)業(yè)有限公司，其產(chǎn)能各為300萬(wàn)m2/a，膜材質(zhì)以PVDF和PVC為主。另有三菱麗陽(yáng)、旭化成、東麗等國(guó)外在華的獨(dú)資和合資企業(yè)。德國(guó)主要是巴斯夫（BASF）公司，先后收購(gòu)德國(guó)Inga和新加坡的UF廠家，新加坡有High Flux公司生產(chǎn)HFUFM，與丹麥Glanfose公司合作。

在技術(shù)開(kāi)發(fā)方面，日本水ing株式會(huì)社開(kāi)發(fā)了有污濁潛能（FP）的疏水性PVDF（孔徑0.22μm）及其浸漬型膜水過(guò)濾系統(tǒng)，具有節(jié)能和操作穩(wěn)定等特點(diǎn)。浸漬型膜選用有機(jī)膜和親水化PE外壓式中空纖維膜（孔徑0.1μm），目前日產(chǎn)2×104m3，將來(lái)為3×104m3/d?？蓸?lè)麗開(kāi)發(fā)出3種型號(hào)的親水化PVDF中空纖維膜，膜孔徑0.02μm，PVDF膜表面涂覆PVA 。

Daicene膜系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)減少污垢的水凈化處理膜，用于生產(chǎn)飲用水，材質(zhì)選用醋酸纖維素，中空纖維膜外徑1.3mm、內(nèi)徑0.8mm、膜微孔直徑0.01μm，具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這種水凈化處理膜可直接采用微氣泡新型過(guò)濾技術(shù)處理過(guò)的江河水，氣泡直徑10～50μm，氣泡發(fā)生器與帝國(guó)電機(jī)制作所共同開(kāi)發(fā)。

可樂(lè)麗利用PVA中空纖維微生物固定載體和PS中空纖維UF膜，解決純凈水制造、食品工業(yè)洗滌水處理和醫(yī)用無(wú)菌水制造，市場(chǎng)規(guī)模約100億日元。三菱麗陽(yáng)最近也參入凈化水用的PVDF中空纖維UF膜的開(kāi)發(fā)，并用于福岡的大規(guī)模水處理廠，產(chǎn)水量為2.5×104t/d，預(yù)計(jì)2016年中投產(chǎn)。三菱麗陽(yáng)還將開(kāi)拓中國(guó)的瓶裝飲料水市場(chǎng)，預(yù)期市場(chǎng)規(guī)模為1 500億日元，而日本為2 000億日元。在中空纖維膜分離活性污泥法（MBR）方面，三菱麗陽(yáng)正加速開(kāi)拓泰國(guó)等東南亞市場(chǎng)和中國(guó)市場(chǎng)。

東麗也開(kāi)發(fā)了水管連接型凈水器“トレビーノカセッティ307MX”，濾材采用粒狀活性碳、聚砜中空纖維膜和離子交換體，過(guò)濾后能保留原有的礦物質(zhì)，而除去霉臭、三鹵甲烷、游離殘留氯、農(nóng)藥、溶解性鉛、三氯乙烯等有害物質(zhì)，比以往品可節(jié)水約30%，流量為1.6L/min。在MBR污水處理方面，可樂(lè)麗采用比普通MF膜更大的孔徑（LP膜），透水性比MF膜高100倍，并可在低壓下高速流過(guò)（圖2），目的是除去用氯消毒所不能處理的隱孢子蟲(chóng)等病原性原蟲(chóng)類，對(duì)3.0μm粒子的除去率為99.9999%。

可樂(lè)麗還有大孔徑膜的PVA中空纖維UF膜和MF膜，采用外壓式元件用于廢水處理，與活性污泥法相比，由于不需要供氧，動(dòng)力費(fèi)可削減至1/3，剩余污泥的發(fā)生量減少至1/3～1/10。

東麗、東洋紡和Daicene膜系統(tǒng)公司及神戶大學(xué)大學(xué)院共同開(kāi)發(fā)高效中空纖維UF膜元件，計(jì)劃設(shè)計(jì)制造直徑12英寸、元件長(zhǎng)1.7m、膜面積約70m2的元件，單位元件造水量提高3倍、透水速度提高1.5倍以上，污水處理能力達(dá)到1×105m3/d，造水成本削減30%。為達(dá)到上述目標(biāo)，開(kāi)展了纖維素和非纖維素材質(zhì)的探索比較，包括其改性度、聚合度和表面處理?xiàng)l件的最佳化，其對(duì)比結(jié)果示見(jiàn)圖3所示。

3.中空纖維透析（DL）膜

透析器又叫人工腎，是針對(duì)免疫功能障礙或糖尿病等失去腎功能的慢性腎功能不全患者，分離除去體內(nèi)形成尿毒癥物質(zhì)的尿素、肌酸酐及過(guò)剩水分的醫(yī)療器械，目前95%以上采用中空纖維DL膜。材質(zhì)以聚砜為主，大多為內(nèi)徑200μm中空纖維膜約1萬(wàn)根集束成DL器元件，可除去β2-微蛋白球（并發(fā)癥物質(zhì)），保留血液中的血球和球蛋白。全球主要生產(chǎn)廠家的基本情況見(jiàn)表2。

中空纖維DL膜技術(shù)改進(jìn)方向是提高抗血栓性和抑制血小板等附著于膜表面。東麗尖端材料研究所用聚乙烯基吡咯烷酮（PVD）混入PS中空纖維膜使之親水化，改善膜內(nèi)表面電荷，抑制血液成分附著于膜表面，提高氧化能力。東麗新研發(fā)的PMMA中空纖維DL膜，可通過(guò)透過(guò)和吸附雙功能除去尿素，并抑制血小板等附著于膜表面而發(fā)生血小板凝聚反應(yīng)。東京大學(xué)、東麗和東麗工程公司共同研發(fā)利用分離膜從人類腹膜細(xì)胞中量產(chǎn)血小板的工藝。由東京大學(xué)研發(fā)生產(chǎn)血小板的工藝，而血小板的分離采用東麗的分離膜，裝置的構(gòu)成和系統(tǒng)化由東麗工程公司承擔(dān)。

在DL設(shè)備改進(jìn)方面，旭化成和可樂(lè)麗醫(yī)療公司的APS-SA系列PS透析器，其集絲部采用環(huán)形高領(lǐng)/短錐銷結(jié)構(gòu)，使透析物可移動(dòng)到主體外殼的中央部，即可維持中空纖維的高填充率，又可避免溶質(zhì)去除率下降。東麗醫(yī)療公司的TS系列PS透水器也采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，并通過(guò)設(shè)置幾個(gè)狹縫使由折流板流入的透析液均勻化。Fresenius醫(yī)療（日本）公司的FX系列PS透析器，也通過(guò)設(shè)置小尖塔形結(jié)構(gòu)的狹縫，使透析液實(shí)現(xiàn)均一化。

4.中空纖維氣體分離（GS）膜

表3列出了國(guó)外中空纖維膜主要的生產(chǎn)廠家及主要領(lǐng)域。

孟山都是于1980年最早生產(chǎn)氣體分離膜的美國(guó)企業(yè)，其在PS中空纖維非對(duì)稱膜表面覆蓋一層聚二甲基硅氧烷（PDMS）已應(yīng)用于羧基合成、合成氨尾氣回收氫氣、乙醇脫水、空氣氧氣（O2）/氮?dú)猓∟2）分離等。宇部興產(chǎn)株式會(huì)社的PIM中空纖維非對(duì)稱膜，耐高溫性能好，成本不斷下降，在乙醇除濕和防爆倉(cāng)庫(kù)用高濃度N2的生產(chǎn)方面，需求量很大。NOK公司利用中空碳纖維膜，可一級(jí)分離醋酸和乙丙醇，產(chǎn)物純度可高達(dá)99%，回收率95%，今后將擴(kuò)大應(yīng)用于醇和酯的分離和特殊混合氣分離等。旭化成化學(xué)最近開(kāi)發(fā)了中空纖維富氮膜和加濕膜，可大幅度降低船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放，削減量高達(dá)80%。我國(guó)最早研制人工肺的單位是復(fù)旦大學(xué)，隨后將技術(shù)轉(zhuǎn)讓給幾家企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)。

二氧化碳（CO2）的膜分離回收技術(shù)是當(dāng)前研發(fā)的重點(diǎn)，九州大學(xué)研究由甲烷和丙烷的水蒸氣改性反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣（H2）和CO2，先用壓力變動(dòng)吸附法（PSA）進(jìn)行精制，但排出氣中含CO2和H2及其他未反應(yīng)的羥類，可以用膜分離回收CO2，所得精制H2用于H2燃料電池。

福井大學(xué)研發(fā)由火電廠等燃燒廢氣中分離回收CO2的方法，包括高分子膜的氣體透過(guò)機(jī)理、聚乙二醇膜、聚酰亞胺膜和聚乙炔膜，研究CO2分離膜的現(xiàn)狀和今后實(shí)現(xiàn)膜的元件和裝置化。

山口大學(xué)研究了在PIM的主鏈的苯環(huán)間有-O-，-SO2-，-CO-，-C（CF3）2-，-C（CH3）2-，主鏈中含咔唑環(huán)，其側(cè)鏈導(dǎo)入CH3-、CF3-、-OH和磺酸基等極性基團(tuán)或乙炔基等，而且研發(fā)具有納米微孔尺寸的“分子篩膜”。

東京首都大學(xué)研究氣體分離膜在醫(yī)用設(shè)備的應(yīng)用，包括PS人工腎和多微孔PP中空纖維人工肺，長(zhǎng)期的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良傳輸氣體或溶質(zhì)及血液親和性的新生物材質(zhì)，并聚焦于氣體分離膜在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。

5.中空纖維多功能膜

（1）中空纖維陰離子交換膜

旭化成醫(yī)療公司開(kāi)發(fā)了中空纖維陰離子交換膜元件“Oyu Speed D”。制法是將乙二胺固定于聚乙烯（PE）中空纖維表面，與高反應(yīng)性環(huán)氧基形成接枝鏈?？捎米鲝募?xì)胞培養(yǎng)液中大量吸附和提純蛋白質(zhì)，2011年開(kāi)始上市，現(xiàn)開(kāi)始大量應(yīng)用。千葉大學(xué)通過(guò)控制陰離子基導(dǎo)入接枝鏈的部位，來(lái)節(jié)省陰離子交換多微孔中空纖維膜再生時(shí)所需的緩沖液量，有利于降低成本。

（2）中空纖維血小板分離膜

東麗、京都大學(xué)和東麗工程公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)中空纖維血小板分離膜，可以從人工多能性干細(xì)胞穩(wěn)定而又大量地提取和生產(chǎn)血小板，供血液疾病患者使用而不單靠輸血。目前一次只能生產(chǎn)10億個(gè)血小板，比以往法高100倍，但一次輸血需要2 000億～3 000億個(gè)血小板，因此還須開(kāi)發(fā)更高效的生產(chǎn)方法。最近通過(guò)在體外誘導(dǎo)自修復(fù)并凍結(jié)不死的巨核球的方法，可在5日內(nèi)生產(chǎn)1 000億個(gè)血小板，而以往法需要26天，計(jì)劃于2015～2016年進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

二、活性炭纖維（ACF）

根據(jù)起始高分子原料的不同，有4種商品化的ACF，性能有所差異，表4示出其基本性能并與粒狀A(yù)C作對(duì)比。

ACF技術(shù)開(kāi)發(fā)的方向，除發(fā)展中間孔的ACF外，主要是擴(kuò)大應(yīng)用研究和市場(chǎng)開(kāi)拓，特別是與中空纖維分離膜或離子交換纖維一起使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短。此外，降低生產(chǎn)成本也是擴(kuò)大應(yīng)用的前提條件。

我國(guó)ACF主要生產(chǎn)廠家有鞍山塞諾達(dá)碳纖維有限公司和安徽鑫豐碳纖維有限公司，產(chǎn)能各為50t/a和 100t/a，材質(zhì)各采用通用級(jí)瀝青和粘膠纖維。目前，ACF已開(kāi)拓的用途有：①揮發(fā)性有機(jī)溶劑的回收；②廢水和液體提純處理；③防化兵軍服、防毒面具和呼吸器濾材；④由溶液或氣體分離低濃度貴金屬、重金屬或其他稀有金屬；⑤催化劑、肥料養(yǎng)分的載體、特殊化學(xué)吸附劑、防雷電和冰雹的填裝試劑載體等；⑥傷口和燒傷皮膚敷料、腸道病毒吸附劑、血液、血漿和淋巴吸附劑；⑦各種傳感器；⑧除濕劑和除臭劑；⑨電容器電解質(zhì)載體和多孔電極；⑩人工臟器填料。

三、塑料光導(dǎo)纖維（POF）

POF有3類：①以PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）為芯材、透明氟樹(shù)脂為鞘材的階段指數(shù)（SI）型POF，主要用于傳導(dǎo)百米以內(nèi)的光通信，如大樓內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)傳感器等；②以P S t（聚苯乙烯纖維）為芯材、P M M A為鞘材的廉價(jià)P O F，主要用于更短距離的光顯示、霓虹燈和裝飾品等；③光聚焦型或漸變指數(shù)（G I）型P O F，其傳導(dǎo)距離更遠(yuǎn)些，用于光通信等。

全球主要POF生產(chǎn)廠家有日本三菱麗陽(yáng)、旭硝子株式會(huì)社（簡(jiǎn)稱“旭硝子”）、德國(guó)科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)及我國(guó)廠家（如表5所示）。

全球POF的需求量已超過(guò)8 000km/a。旭硝子所開(kāi)發(fā)的新型全氟樹(shù)脂POF，可滿足10GB/S的大容量光通信外，在180℃折彎的情況下，可繼續(xù)正常通信傳導(dǎo)，而玻璃光纖或石英光纖則發(fā)生信號(hào)消失。到2015年包括40GB/S以上的超快速光纜及服務(wù)器、儲(chǔ)存器等設(shè)備間連接器的POF配線市場(chǎng)將達(dá)到1 500億日元。

POF今后的研發(fā)方向繼續(xù)實(shí)現(xiàn)寬帶化和低損耗，加速開(kāi)發(fā)GI型POF的大批量生產(chǎn)技術(shù)，發(fā)展可經(jīng)受104～105反復(fù)彎曲的高性能POF，到2015年的市場(chǎng)約為30億日元；還要開(kāi)發(fā)具有耐高溫、耐腐蝕和阻燃等特種POF。在新市場(chǎng)開(kāi)發(fā)方面，有發(fā)光POF及紡織品、夜間發(fā)光標(biāo)識(shí)物、隧道圖像顯示、消防服發(fā)光標(biāo)識(shí)物等。今后的大市場(chǎng)將是數(shù)字化公共汽車、現(xiàn)代化住宅區(qū)及醫(yī)院等的POF光纜配線等。

四、新型離子交換纖維

日本千葉大學(xué)和株式會(huì)社環(huán)境凈化研究所為除去海水中因福島核電站泄露事故造成的放射性鍶，開(kāi)發(fā)了過(guò)氧代陰離子絡(luò)合物與新型陰離子交換接枝纖維相組合的海水除鍶吸附纖維。

應(yīng)該說(shuō)從海水中捕集微量放射性鍶是有難度的，理由有2個(gè)方面：①海水中溶存的非放射性鍶濃度為8mg/L，而放射性鍶的濃度為2.2×10-8mg/L，相當(dāng)于前者的3億分之一；②鍶與同族的鎂、鈣的克分子濃度各為鍶的660倍和130倍，并作為夾雜離子溶存，存在競(jìng)爭(zhēng)吸附問(wèn)題。

五、結(jié)語(yǔ)

功能纖維的重要品種，還有舉世矚目的碳納米管、碳納米管纖維、納米纖維、金屬螯合纖維和生物自降解的聚乳酸、海藻、甲殼素和殼聚糖纖維、負(fù)氧離子纖維、水溶性和高吸水纖維等，由于篇幅關(guān)系未作介紹。

中空纖維分離膜和光導(dǎo)纖維等，都是國(guó)家重點(diǎn)支持和發(fā)展的高科技纖維，活性炭纖維和離子交換纖維則是環(huán)保的基本材料，而各種多功能纖維與人民生活和健康息息相關(guān)，值得重視。

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