羅益鋒，羅晰旻

（全國特種合成纖維信息中心，北京 100028）

世界高科技纖維正迎來重大創(chuàng)新期

羅益鋒，羅晰旻

（全國特種合成纖維信息中心，北京 100028）

介紹了19 種主要高科技纖維的重大創(chuàng)新點。其中東麗T2000 PAN-CF拉伸強(qiáng)度高達(dá)60 GPa，到2017年日本PAN-CF的生產(chǎn)效率可望提高10 倍；白俄羅斯的粘膠基碳纖維強(qiáng)度已達(dá)2 GPa；三菱樹脂的中間相瀝青基碳纖維強(qiáng)度提高20%，并其加工性得到改善；杜邦的Kevlar纖維15 年間開發(fā)了13 個新產(chǎn)品；帝人的Conex neo易于染色，并開發(fā)了0.9 dtex的超細(xì)品種；解決玄武巖纖維復(fù)合材料密度大和成本比玻璃鋼高3 倍的較好途徑是在樹脂中添加中空微納米陶瓷粉體；聚芳酯纖維有望大幅縮短高溫?zé)崽幚淼臅r間；而碳化硅纖維最高耐熱溫度為1 800 ℃；高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維是未來的研發(fā)方向；聚苯硫醚的無氯合成工藝及0.2 dtex超細(xì)絲是重要創(chuàng)新；碳納米管和石墨烯改性傳統(tǒng)纖維，開辟了復(fù)合材料纖維新應(yīng)用領(lǐng)域；海水淡化中空纖維出現(xiàn)了正滲透膜等。

高科技纖維；應(yīng)用；創(chuàng)新；挑戰(zhàn)；對策

0 前言

高科技纖維是我國7 大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，是海洋開發(fā)、現(xiàn)代化國防和尖端科學(xué)所必不可缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。當(dāng)前嚴(yán)峻的國際形勢和軍備競賽，促使各國加大對高科技纖維及其復(fù)合材料的科技投入，催生了一批重大的創(chuàng)新成果，勢將對未來的諸多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和國防軍工產(chǎn)生革命性的變革。

在我國，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，海島建設(shè)和海洋開發(fā)的快速展開，以及國防現(xiàn)代化的加速和環(huán)保法律法規(guī)的強(qiáng)化，為我國高科技纖維的發(fā)展帶來了空前的機(jī)遇和挑戰(zhàn)?！笆濉逼陂g我國高科技纖維的基本品種將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和滿足自給，某些產(chǎn)品、生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備有望部分出口，對實現(xiàn)“工業(yè)2025”、加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、實現(xiàn)美麗中國和中國崛起將作出重要貢獻(xiàn)。

以下分別以重點品種對應(yīng)近期出現(xiàn)的重大技術(shù)突破以及我國的對策建議作簡要闡述。

1 碳纖維及其復(fù)合材料

1.1 PAN基碳纖維(PAN-CF)

超高性能碳纖維和低成本碳纖維的技術(shù)開發(fā)均獲重大突破。日本東麗研發(fā)出驚人的T2000超級PAN-CF，其拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于碳纖維理論值（180 GPa）的1/3，達(dá)到了60 GPa，相當(dāng)于T1100（6.6 GPa）的9.1 倍。其關(guān)鍵技術(shù)是采用輻射聚合法引發(fā)丙烯腈與共聚單體的聚合，避免因引入引發(fā)劑和鏈終止劑而在原絲中引入雜質(zhì)。其次是確保聚合過程各工藝參數(shù)的一致性、紡絲原液均一性、紡絲張力和拉伸倍數(shù)的恒定以及碳化線工藝參數(shù)的穩(wěn)定控制。再次是將碳纖維的5 大缺陷（即雜質(zhì)、內(nèi)部空隙、結(jié)構(gòu)缺陷、表面缺陷、毛絲和并絲）降至最低限。

上述超碳纖維的出現(xiàn)，改變了以往碳纖維屬脆性材料的弱點，由于其斷裂伸長率的提高，使其復(fù)合材料（CFRP）具有抗沖擊和防彈特性，對實現(xiàn)武器裝備的超輕量化、節(jié)能和提高綜合性能起到關(guān)鍵作用，新一代戰(zhàn)斗機(jī)可實現(xiàn)機(jī)動化、高速化和遠(yuǎn)程化，而其坦克裝甲的防穿甲彈能力可提高6 倍。

在這種嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)下，我們爭取走跨越式發(fā)展的模式與某公司合作，采用全新的PAN紡絲技術(shù)和碳化特殊后處理技術(shù)，使PAN-CF的拉伸強(qiáng)度最高達(dá)到76.59 GPa，相當(dāng)于T1100的11.6 倍，最高模量為3 113 GPa，相當(dāng)于T1100的9.9 倍。更重要的是，這種新工藝的生產(chǎn)效率極高，紡速最高達(dá)800～900 m/min，碳化速度達(dá)16 m/min，因此生產(chǎn)同性能檔次碳纖維的成本，比以往法低25%。

在通用級低成本PAN-CF方面，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）計劃開發(fā)出PANCF的創(chuàng)新制造技術(shù)，砍掉預(yù)氧化工序，碳化工序改用微波加熱，與傳統(tǒng)工藝相比制造能耗與CO2排放量各減半，生產(chǎn)效率提高10 倍。

圖1示出現(xiàn)有生產(chǎn)工藝與創(chuàng)新工藝的差別，日本3 大碳纖維公司均共同參與研發(fā)，東麗負(fù)責(zé)開發(fā)溶劑中可溶和又有防火性的聚合物及原絲，帝人負(fù)責(zé)將原絲進(jìn)行碳化，加熱方式改用微波加熱，表面處理改用等離子體，實現(xiàn)高效化，三菱麗陽開發(fā)評價技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 低成本PAN-CF制備現(xiàn)行工藝和創(chuàng)新工藝的對比

統(tǒng)領(lǐng)該研究的是東京大學(xué)大學(xué)院的影山和郎教授，目前達(dá)到的碳纖維拉伸模量240 GPa，斷裂伸長1.5%，計劃3～5 年內(nèi)產(chǎn)業(yè)化。

美國能源部生物能技術(shù)辦公室組織專家研發(fā)兩個課題，一個是由可再生和非食物基飼料生產(chǎn)具有成本優(yōu)勢的高性能碳纖維，通過新型生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)丙烯腈（AN），成本低于每磅1 美元（2.2 美元/kg）。另一個是選用其他原絲如木質(zhì)素等。

針對上述低成本PAN-CF原料及生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新，我國的高校、科研院所等也在研發(fā)，但缺乏國家層面的總體部署和資金支持。

1.2 木質(zhì)素基碳纖維(L-CF)

美國能源部資金支持下的橡樹嶺國家實驗室器及高性能超級電容器以及高性能電極，在大溫區(qū)范圍具有高功率、自放電低、快速充電和長壽命特性。

在電加熱領(lǐng)域，有電熱服、電熱床墊、低功率加熱器（最大500 W/m2）、汽車座椅加熱器、電熱窗簾、紅外加熱器、高溫爐加熱器、發(fā)熱地板、電暖服、消靜電易爆氣液體管路、冬季柴油加熱、后視鏡、混凝土或凍土電熱固化以及稀有金屬電化學(xué)取用3D電極。

在工業(yè)過濾和提純用途，有液體濾材、飲用水和酒類、飲料濾材、溶劑同流換熱系統(tǒng)、除臭劑、電池液體純化、油水分離器（可由濃度1 mg/ m3的油水提純至0.05 mg/m3以下）、口罩、NBC服、超級電容模擬器等。

1.4 中間相瀝青基碳纖維(MP-CF)

目前全球只有3 家生產(chǎn)廠。美國Cytec產(chǎn)能400 t/a，主要用于軍工；日本三菱樹脂1 000 t/a；而日本石墨纖維公司（NGF）產(chǎn)能180 t/a。起始原料各采用石油瀝青、萘和煤瀝青。

MP-CF的最大特點是線膨脹系數(shù)近乎0。在大范圍溫度變化下，它與PAN-CF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同，沿垂直方向由于結(jié)晶可滑移，可吸收能量，導(dǎo)熱性約為PAN-CF的10 倍，模量和導(dǎo)電性極高。主要問題是二次加工時的操作性較困難，價格高，因此限制了其發(fā)展，僅日本兩家公司的需求量僅為300～400 t/a。

最近的創(chuàng)新點是提高M(jìn)P-CF的強(qiáng)度和加工性。三菱樹脂開發(fā)出“Dialead K13312”新品種，通過嚴(yán)控液晶瀝青原料和優(yōu)化生產(chǎn)過程，使強(qiáng)度由原3.2 GPa提高至4.2 GPa，提高20%，大大改善了客戶所要求的加工性，單絲拉伸時的斷裂強(qiáng)力由20 N升至108 N，提高了5 倍。由于加工時不發(fā)生斷絲，加工速度可以提高，因此已用于東京高速公路的大規(guī)模補(bǔ)強(qiáng)工程，并期待用于能源和某些體育用品。NGF公司則開發(fā)了“XN05”新品種，可與PAN-CF相組合，可極大的提高能量吸收性和韌性，從而提高CFRP的抗沖擊強(qiáng)度。其交織物可應(yīng)用于增強(qiáng)熱塑性樹脂（CFRTP），而以往只用于增強(qiáng)熱固性樹脂，為手提電腦和手機(jī)的輕量化需求開辟了新市場。另一創(chuàng)新應(yīng)用是作為蜂窩結(jié)構(gòu)材料，用于衛(wèi)星天線、中子反射器、光學(xué)部件、軍用飛機(jī)部件等。

2 芳酰胺及其共聚纖維

2.1 對位芳酰胺纖維(P-ARF)

美國杜邦公司自2000年至2014年的15 年間共開發(fā)了13 個P-ARF的新品種，保持世界的領(lǐng)先地位。2014年，杜邦公司在全球共銷售了1×106件Kevlar XP制的防彈背心（如圖6所示）。

圖6 杜邦公司Kevlar纖維的創(chuàng)新發(fā)展歷程

其中Kevlar AS 299于2000年已用于英國警務(wù)人員，防御各種暴力威脅，2004年推出Kevlar 129 SAPI插入板，2005年推出Kevlar IC100，2006年推出Kevlar AS 400，2008年推出Kevlar XP，2009年推出Armura，2010年推出輕質(zhì)Kevlar XP H170和Kevlar IC 600，2011年為美國MII 10TV導(dǎo)入Kevlar KM2，2012年推出Tensylon，2013年推出Kevlar XP S103和Kevlar XF，同時推出Kevlar AS450X。

Kevlar XP專為防彈背心而設(shè)計，Kevlar AS450X為改進(jìn)型舒適性和疏水性產(chǎn)品，即使在高溫氣候和濕態(tài)條件下，也可阻擋子彈的沖擊和減少背面的凸傷。2015年Kevlar被Reebok收入春夏CrossHit運(yùn)動服系列，并將開發(fā)耐磨服裝和鞋類增強(qiáng)材料。

在北美防切割、防針刺等Kevlar手套用量很大，僅加拿大Quebec省，各種工業(yè)操作過程的手傷率約18.4%，在木材、塑料、金屬和食品生產(chǎn)及加工企業(yè)，手傷率高達(dá)25%，而在金屬-電器工廠要高出50 倍。根據(jù)杜邦預(yù)測，全球P-ARF的需求量約為6.1×104t/a，并以10%的年增長率發(fā)展。美國Texas大學(xué)將Kevlar纖維拉伸7 倍，加工成納米纖維，大大增強(qiáng)了其韌性，由它制的結(jié)構(gòu)材料，沖擊吸收能高達(dá)98 J/g，而Kevlar僅為80 J/g，今后有望應(yīng)用于軍用飛機(jī)和國防領(lǐng)域。

東麗杜邦公司結(jié)合日本火山爆發(fā)頻率高的特點，開發(fā)了避難所用的房頂材料（如圖7～8所示），可防火山碎石的傷害，預(yù)期2016年Kevlar織物將銷3×104m2，而2017年有望增至5×104m2，可耐400 ℃。

帝人也開發(fā)同類的防災(zāi)補(bǔ)強(qiáng)用P-ARF織物，用于活火山口周邊的山區(qū)小屋和避難壕。

圖7 防火山爆發(fā)避難房

圖8 P-ARF織物用于屋頂?shù)氖┕で闆r

帝人通過在Twaron織物中添加聚酯彈力絲，制成了伸縮性高達(dá)10%的織物，具有高防護(hù)和耐久性，手感好，適用于消防救助服等，2016年的銷售目標(biāo)為5×108日元。帝人還開發(fā)了Twaron或碳纖維增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)材料，使建筑物輕量化，并提高抗震性，減少地震破壞力，提高耐久性和設(shè)計自由度，計劃于2015～2017年期間推廣應(yīng)用，并將于2018年制定建筑標(biāo)準(zhǔn)。此外P-ARF已成功應(yīng)用于深海油田的高壓軟管補(bǔ)強(qiáng)材料。

2.2 間位芳酰胺纖維(m-ARF)

我國m-ARF的總產(chǎn)能已接近杜邦公司，而煙臺泰和新材料公司的產(chǎn)能（近8 000 t/a）已位居世界第二，但產(chǎn)量和新產(chǎn)品開發(fā)仍是薄弱環(huán)節(jié)。

帝人在泰國新建成的2 200 t/a“Conex neo”生產(chǎn)廠已開始投產(chǎn)，其創(chuàng)新點在于易染性，能以纖維狀或織物進(jìn)行染色，有色絲相當(dāng)柔軟，而以往的“Conex”有色絲是通過原液染色法生產(chǎn)的，手感較硬。這種纖維可與阻燃粘膠或P-ARF進(jìn)行混織，應(yīng)用于消防服、防火手套、軍服等。

帝人尖端公司則開始銷售Conex與氰氯綸相組合的織物“プルシェルタ”，適用于耐熱又防火的防災(zāi)窗簾等。其中m-ARF在500 ℃仍能保持其性狀，而腈綸在250 ℃會釋放不燃?xì)怏w而達(dá)到滅火的目的。另一重要創(chuàng)新點在于生產(chǎn)超細(xì)（0.9 dtex）的m-ARF，可耐200 ℃，用于水泥、鋼鐵和瀝青等領(lǐng)域的高校高溫粉塵濾袋。m-ARF的納米非織造布則已用于燃料電池的擴(kuò)散層等。

為了擴(kuò)大在中國和印度的m-ARF防護(hù)服和高溫粉塵濾袋市場，帝人各建造了織物和非織造布針刺濾袋生產(chǎn)廠，并在松山事務(wù)所建設(shè)人體模型燃燒實驗室，可對各種消防服、安全服、化工廠工作服等的難燃性進(jìn)行評價。

3 超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維(UHMWPEF)

如所周知，帝斯曼（DSM）公司的UHMWPEF生產(chǎn)工藝經(jīng)歷了3 個發(fā)展階段：凝膠紡絲法、干紡和熔融紡，生產(chǎn)效率不斷提高，成本不斷下降，而我國的30 家企業(yè)仍停留在第一階段，儀征化纖走干紡路線，山東愛地發(fā)明了熔紡法，性能不錯，由于混入了廉價的普通PE又無需采用溶劑，紡速快，生產(chǎn)成本大減，因此數(shù)年前被DSM公司兼并。

近年來DSM的重大創(chuàng)新點在于：①開發(fā)拉力倍增技術(shù)，使纖維強(qiáng)度提高至42 cN/dtex，模量（SK99）比SK90提高10%，防彈背心減輕30%，改進(jìn)了機(jī)動性。②開發(fā)了極限技術(shù)，使蠕變大減，在溫度70 ℃和張力300 MPa條件下試驗10 個月后，蠕變伸長率低于0.2%，相當(dāng)于在室溫下25 年的蠕變值，因此可用于靜態(tài)張力下的應(yīng)用領(lǐng)域。③開發(fā)耐高切割纖維，使其防切割手套、工作服、護(hù)套及牛仔褲實現(xiàn)長壽命化。

日本東索公司開發(fā)了用茂金屬催化劑制的UHMWPE膜、纖維和高結(jié)晶的中空纖維膜，作為藥物的過濾等。

據(jù)日本三井化學(xué)報道，目前UHMWPEF的最高強(qiáng)度已達(dá)到6 GPa，冠于各種有機(jī)高強(qiáng)高模纖維。

我國東華大學(xué)先后研發(fā)了在UHMWPEF中添加微量碳納米管和石墨烯的纖維，不同程度的改善了耐熱性、防靜電性、模量、阻燃性和蠕變，分別于杭州東南化纖和浙江千禧龍公司小批量投產(chǎn)。

4 玄武巖纖維(BSF)

全球BSF的研發(fā)方向朝高性能（強(qiáng)度≥4.8 GPa）、細(xì)徑化（≤6 μm）和低成本（采用大型池窯和1 500～2 000 孔漏板）3 大方向發(fā)展。

德國Incotelogy公司是一家BSF復(fù)絲、粗紗、紡織品和非織造布的創(chuàng)新生產(chǎn)廠家，并代理俄羅斯莫斯科Kameny vek公司的高性能BSF。該公司創(chuàng)新產(chǎn)品有含功能性涂料的織物和層壓制品、涂有RFL（間苯二酚膠乳）浸漬液的BSF紗、有色紗、線繩類、導(dǎo)電混雜紗等，但最引人注目的是無粘合劑的高質(zhì)量BSF非織造布。BSF的用途主要取決于其優(yōu)良的力學(xué)性能、吸音性和在很高的溫度范圍內(nèi)耐腐蝕性介質(zhì)和環(huán)境，機(jī)織等過程易于操作。與玻纖相比，密度為2.67 g/cm3，而E-玻纖為2.5～2.8 g/cm3，BSF的拉伸強(qiáng)度、模量、耐化學(xué)性和耐熱性比玻纖好。與碳纖維相比，BSF具有4 倍的彈性和更好的沖擊吸收能。BSF及其制品不僅可很好地減少非再生材料，而且可降低生產(chǎn)成本和節(jié)約材料。這些都是其優(yōu)點，在市場開發(fā)中應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)勢，揚(yáng)長避短。

我國是BCF的最大生產(chǎn)國，原料豐富，近年來發(fā)展迅猛，但與PAN-CF相比力學(xué)性能差距較大，特別是模量低，與玻纖比成本又較高，因此限制了其發(fā)展，造成大批企業(yè)虧損。針對上述問題，我們開展了多年相關(guān)試驗研究，提出了以下兩點創(chuàng)新的解決方案：

一是通過我們研發(fā)的“中空微納米陶瓷粉體（HMNCP）”（見圖9），添加入BSF的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～40%，有望降低BSF復(fù)合材料的生產(chǎn)成本而提升其綜合性能，并附加了特殊的功能。

因為HMNCP的原料是電廠排放的粉煤灰，價廉易得，經(jīng)特殊加工處理而得，對產(chǎn)能1×104t/a規(guī)模的工廠，產(chǎn)品成本才約2 500 元/t，加上1倍的利潤和表面處理加工，售價最多7 000 元/t，而不同性能等級環(huán)氧樹脂售價范圍約在6×104～2×105元/t。我們曾在各種熱塑性樹脂中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)約30%的HMNCP，試制成56 種汽車部件以及PVC管道等，其制品的模量、抗沖擊性、耐熱性、阻燃性、耐腐蝕性、保溫性、隔熱性、隔音性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性均有提高，而密度下降了。

圖9 中空微納米陶瓷粉體(HMWCP)形貌

如在新疆的一家風(fēng)電葉片生產(chǎn)廠，通過在玻璃鋼葉片的環(huán)氧樹脂中添加了HMNCP后，不僅綜合性能提高和成本降低，而且可提前脫模。又經(jīng)寧波博利隆復(fù)合材料有限公司的試驗，在CFRP的環(huán)氧樹脂中添加HMNCP后，其模量有明顯提高，其他綜合性能也有所提高，而成本大大下降，因此今后用于BSF增強(qiáng)環(huán)氧樹脂也會達(dá)到降低成本、減重和提高綜合性能的效果。

二是采用快速成型固化劑“BPH”，加入量少（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%），而纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的綜合性能特別是彎曲強(qiáng)度和模量有明顯提高，而成本下降，該固化劑同樣可應(yīng)用于BSF復(fù)合材料中。相信通過上述解決方案，有望推動我國BSF產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展并提高國際競爭力。

同時建議“十三五”期間，配合國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略，可考慮向東南亞和中亞地區(qū)輸出全套BSF生產(chǎn)裝置或合作建廠。例如印尼有大量的火山巖，又正值棚戶區(qū)改造，需要這方面的建材。

5 液晶聚芳酯纖維(LCPF)

2015年世界LCP樹脂的需求約為3.8×104t，中國是最大的市場，大都由國外引進(jìn)。

目前全球只有兩家LCPF生產(chǎn)企業(yè)，可樂麗為1 000 t/a的產(chǎn)能，KBセーレン公司100 t/a，LCP樹脂由住友化學(xué)提供。我國浙江三星特種紡織股份有限公司完成產(chǎn)能10 t/a的中試研發(fā)后，計劃于2016年8月建成產(chǎn)能500 t/a的生產(chǎn)線，技術(shù)由東華大學(xué)提供。浙江某單位（暫保密）已建成產(chǎn)能500 t/a的生產(chǎn)線，目前正在優(yōu)化生產(chǎn)工藝。四川紡科院等單位仍處于小試階段。

表1示出Zxion纖維的基本性能指標(biāo)，并與其他高強(qiáng)高模有機(jī)纖維相比較。

KBセーレン公司的創(chuàng)新點在于利用住友化學(xué)的LCP樹脂，紡出了最高強(qiáng)度為30 cN/dtex（4.2 GPa）、模量1 000 cN/dtex（140 GPa）的世界最高水平LCPF，并開發(fā)了細(xì)纖度的復(fù)絲（220 dtex），單絲纖度2.3 dtex及棕絲。

可樂麗公司的重大創(chuàng)新點，在于縮短了高溫?zé)崽幚淼臅r間和生產(chǎn)線的長度，使能耗和成本大大下降，預(yù)計數(shù)年左右可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，屆時將為“Vectran”纖維的擴(kuò)大應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。該纖維除具有高強(qiáng)度和模量外，還具有低的膨脹系數(shù)和介電常數(shù)，含濕率約0.5%，分解溫度＞400 ℃，耐切割性、振動衰減性、耐化學(xué)性和耐磨性優(yōu)良，屬熱塑性耐高溫樹脂和纖維，易于再生。

目前日本住友化學(xué)公司的LCP樹脂，自2015年10月起開始對我國解禁，這對我國發(fā)展該纖維也是機(jī)遇。主要用途有印刷線路基板、耳機(jī)線、內(nèi)視鏡線、揚(yáng)聲器紙盒、電池隔膜、復(fù)合材料、橡膠補(bǔ)強(qiáng)材料、紗網(wǎng)、體育休閑用品、安全手套、防護(hù)服、防護(hù)墊、光纜補(bǔ)強(qiáng)件等，其棕絲可用作高頻基板、張力材料、海洋纜繩等（見圖10）。

6 陶瓷纖維

表1 Zxion液晶聚芳酯纖維的主要物性

6.1 碳化硅纖維(SiCF)

用作增強(qiáng)纖維的SiCF有兩類：結(jié)晶質(zhì)和非結(jié)晶質(zhì)。結(jié)晶質(zhì)SiCF很貴，可耐1 500 ℃以上高溫，主要用于耐1 200 ℃以上高溫的飛機(jī)高壓透平部件等；非晶質(zhì)SiCF的耐熱溫度上限為1 000～1 200℃，相對低價，具有高強(qiáng)高伸長率，但由于纖維中含多量的氧和過剩的碳，當(dāng)加熱至制造溫度以上，會分解釋放出SiO和CO。

日本航空探索機(jī)構(gòu)（JAXA）利用宇部興產(chǎn)公司生產(chǎn)的非晶質(zhì)SiCF“Tirano ZMI”織物，先進(jìn)行表面處理，然后浸漬于熔點溫度（共晶溫度約1 340 ℃）的Si-Ti合金融體，制成復(fù)合材料，目的是在較低溫度下短時間形成致密的基體，使纖維強(qiáng)度的下降最小，并相對廉價，可用于1 000 ℃以下的飛機(jī)發(fā)動機(jī)低壓透平。

宇部興產(chǎn)受NEDO的委托，開發(fā)輕質(zhì)耐高溫復(fù)合材料CMC技術(shù)，現(xiàn)已開發(fā)出可耐1 800 ℃的最高級別含TiSiCF，目前產(chǎn)能為10 t/a，采用間歇式工藝。計劃到2020年正式應(yīng)用于飛機(jī)的發(fā)動機(jī)部件，到2025年實現(xiàn)量產(chǎn)化，產(chǎn)能150～200 t/a，并采用連續(xù)化生產(chǎn)工藝，這是重大的技術(shù)進(jìn)步。

我國蘇州賽力菲陶纖有限公司擁有產(chǎn)能20 t/a的生產(chǎn)線，產(chǎn)品正實現(xiàn)系列化。

6.2 氧化鋁纖維(A2O3F)

目前全球最大的A2O3F復(fù)絲生產(chǎn)廠家是三菱樹脂公司，其商標(biāo)為“MAFTEC”。最大創(chuàng)新點是開發(fā)了耐1 600 ℃以上高溫的品種，在此高溫環(huán)境下仍可維持隔熱和緩沖性能，并兼?zhèn)涓鞣N優(yōu)良特性。2015年4月在坂出廠投產(chǎn)了產(chǎn)能500 t/a的新線，而在直江原有產(chǎn)能6 000 t/a的老廠，總產(chǎn)能合計為6 500 t/a。

評價最高的應(yīng)用領(lǐng)域是煉鋼用隔熱材料、汽車尾氣處理裝置用的催化劑轉(zhuǎn)化器及DPF（柴油微粒濾材、柴油發(fā)動機(jī)排出的碳黑凈化裝置）的載體等。

今后隨著各國汽車廢氣法律的強(qiáng)化，這些應(yīng)用領(lǐng)域的需求將增大，而且不僅歐美地區(qū)，亞洲的需求也迅速增大。

6.3 堿土硅酸鹽纖維

日本ニチアス公司開發(fā)了一種堿土硅酸鹽棉狀物和毛毯類，商品名“Finflex BiO”。該纖維除可耐1 300 ℃外，在高溫下不會與用作耐熱部件的氧化鋁部件反應(yīng)，因此可與高純耐火磚并用。該纖維是通過獨自的無機(jī)纖維配合技術(shù)與高純原料和紡絲技術(shù)制得的，無毒性，不屬于有害于健康的“特定化學(xué)物質(zhì)預(yù)防危害法規(guī)”的范圍，因此自2015年9月起開始銷售。

7 聚酰亞胺纖維(PIMF)

圖10 LCPF在各領(lǐng)域的用途

目前有4 個國家生產(chǎn)不同品種的PIMF。我國有3 家公司是最大生產(chǎn)國，總產(chǎn)能2 020 t/a；奧地利Evonik公司次之，產(chǎn)能約800 t/a；俄羅斯的“Arimid”是老品種，1990年初還開發(fā)高強(qiáng)高模純聚和共聚品種；日本三可纖維技術(shù)中心和愛知產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)綜合中心是最近才研發(fā)的共聚纖維。

長春高崎產(chǎn)能1 000 t/a的生產(chǎn)線，采用聚酰胺酸的濕紡和高溫?zé)崽幚砉に?，與俄羅斯相仿；江蘇奧神選用聚酰胺酸的干紡和熱處理工藝，與早期杜邦的“PRD 14”和上海合纖所的工藝相仿；而常州市尚科特種高分子材料有限公司的專利技術(shù)具有創(chuàng)新性，可直接由聚酰亞胺共聚體溶于溶劑中濕紡，免除熱處理環(huán)化工序，因未取得國家資金的支持，現(xiàn)產(chǎn)能只有20 t/a。

奧地利EvoniK的P84酮酐類纖維，是一種共聚物，呈三角形截面，作為高溫粉塵濾袋時，過濾精度高，還可用作電絕緣材料、防護(hù)服、密封填料等。以往的產(chǎn)品還有近似的中空斷面，通過調(diào)整凝固液組成自然形成。該纖維的最大特點是在真空環(huán)境下不釋放任何揮發(fā)物，因此用于太空提取環(huán)境樣品的繩子。

在高強(qiáng)高模PIMF方面，俄羅斯的研發(fā)成果雖性能指標(biāo)相當(dāng)好，但因性/價比競不過Rusar和Artec等未能產(chǎn)業(yè)化。我國有好幾家大學(xué)和科研院所在努力攻關(guān)。

8 聚苯硫醚纖維(PPSF)

韓國SK公司開發(fā)了不含氯和鈉的PPS樹脂，對紡絲組件和PPS樹脂母體的復(fù)合材料成型模具的腐蝕性小?，F(xiàn)正與帝人開發(fā)PPS纖維和薄膜的專用擠出機(jī)，一條線的連續(xù)聚合能力1.2×104t/ a，為全球最大。

住友化學(xué)是最近才生產(chǎn)“Gradio”PPSF的廠家，單絲纖度0.2～13 dtex，強(qiáng)度4.5～5.1 cN/ dtex，模量400～485 cN/dtex，LOI 35～40，耐化學(xué)性優(yōu)。用途有馬達(dá)束帶、調(diào)色劑清潔器材、密封材料、各種濾芯及支持體、工業(yè)縫紉線、造紙氈、干燥機(jī)防水布、防護(hù)服、安全手套等（見圖11）。

PPSF創(chuàng)新點還有芯鞘型纖維、導(dǎo)電纖維、分割絲0.1 dtex的超細(xì)纖維等。

9 聚噁二唑纖維(PPODZF)

目前全球有3 家生產(chǎn)廠，江蘇寶德新材料公司的產(chǎn)能為1 000 t/a，與白俄羅斯的Svetlogorsk化纖廠的Arselon產(chǎn)能相仿，工藝技術(shù)也相似，都是以對苯二甲酸和硫酸肼為原料進(jìn)行縮聚和濕紡而得。

俄羅斯的“Oxalon”纖維也類似，早期荷蘭Inventa公司發(fā)表過制備PPODZ同類聚合物的高強(qiáng)高模纖維專利。這方面我國尚未研發(fā)。

圖11 PPSF在各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)用途

PPODZF主要用途是高壓軟管和輪胎等橡膠制品、酚醛和環(huán)氧基體復(fù)合材料（滑動軸、墊材和密封填料）、產(chǎn)業(yè)用耐高溫密封材料（密封環(huán)、薄片、盤根等）、高溫濾材（冶金、水泥、白油廠等）和防護(hù)服（冶金和焊接工作服裝隔熱襯里、耐熱縫合線、繩類和扁帶等），見圖12。

10 納米纖維(NF)

NF在學(xué)術(shù)上是指直徑在500 nm以下的纖維，而工業(yè)上泛指1 000 nm以下的纖維。NF的制造工藝呈現(xiàn)多樣化的趨勢，可用的原料和制品也出現(xiàn)多元化趨勢，許多常規(guī)紡絲法所不能制的物質(zhì)，都可采用靜電紡絲法制得。

靜電紡絲的創(chuàng)新點在于開發(fā)高效化和規(guī)?；纳a(chǎn)裝置，產(chǎn)品一般為無規(guī)的短纖維非織造布類，直徑為數(shù)納米至2 μm。但近年來的重大突破是制備高強(qiáng)高模納米長絲。

? 復(fù)合熔融紡絲法。只適用于兩種不同性質(zhì)的高分子，經(jīng)混合和相分離紡絲后細(xì)纖化，然后用溶劑溶解其中一高分子，工序較復(fù)雜，纖維取向度較高，可制得直徑數(shù)納米至數(shù)微米的纖維。

? 高速氣流熔噴法。只適用于熱塑性高分子，迄今可商業(yè)化應(yīng)用的只限于聚丙烯，最小纖維直徑為200 nm。

? 化學(xué)氣相沉積（CVD）法。主要生產(chǎn)碳納米管（CNT），現(xiàn)可制成較長的CNT纖維。

? 生物法。利用催化劑、酵素或機(jī)械粉碎法等由纖維素、ュラーゲン等生物，取出納米纖維，這是目前最有發(fā)展前景和應(yīng)用面較大的方法。

? 東京工業(yè)大學(xué)新開發(fā)被稱作Zetta紡絲方式的納米纖維制法，呈絮棉狀，纖維直徑由30 nm～20 μm，在日、中、馬 3 國開始量產(chǎn)，在日本參與開發(fā)實用化技術(shù)的有11 家公司，目前尚有諸多技術(shù)問題待解決。

? Zetta ESD法產(chǎn)能100 kg/h，纖維直徑100 nm以下，具有3 元結(jié)構(gòu)，NF帶電量大，相對廉價，表2對比Zetta方式與其他方式的優(yōu)缺點。

NF主要品種有PP、PET和PE，現(xiàn)已廣泛開展應(yīng)用，如過濾PM2.5口罩和濾材、油水分離材料（可吸收NF自重100 倍的A重油）、吸油材料、油煙回收、沙漠綠化、隔熱隔音材料、凈水濾材等。

日本山梨大學(xué)采用碳酸氣（CO2）激光超音速拉伸（CLSD）法制備NF，適用于PET、聚2,6萘二算二乙酯、聚乳酸（PLLA）、聚乙醇酸、尼龍6、尼龍66、等規(guī)聚丙烯、氟樹脂及PPS等熱塑性樹脂。CLSD制造裝置由供絲筒管、CO2激光發(fā)生器、供絲孔（孔徑0.3～0.8 mm）、備有Zn～Se窗的真空箱、功率計等組成。

美國喬治亞大學(xué)發(fā)明了一種既簡單又可規(guī)?；a(chǎn)NF的“磁紡”新技術(shù)，在NF中可嵌入各種物質(zhì)包括活細(xì)胞和藥物，設(shè)備相對便宜。

圖12 PPODZF主要產(chǎn)業(yè)用途

在新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面，最成功的莫過于纖維素納米纖維（CNF）。日本國立研究開發(fā)法人深林綜合研究所開發(fā)了不釋放硫磺臭味的低能耗CNF新工藝，在小規(guī)模的實驗廠得到了驗證。原料為杉木屑，經(jīng)漿粕化和納米化工序后，制得平均長度7 μm和寬度3～20 nm的CNF，產(chǎn)能1 kg/ d。已應(yīng)用于涂料、非織造布等。

日本出光Lion復(fù)合材料公司研發(fā)CNF增強(qiáng)PP樹脂，CNF寬30～50 nm，長500～1 000 nm，其復(fù)合材料綜合物性較好。

愛知產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)綜合中心開發(fā)出采用CNF的透光率89%高透明膜制造技術(shù)，該膜具有高強(qiáng)度、疏水、耐紫外光并附加導(dǎo)電性。

大王制紙公司開發(fā)了高效制備CNF的技術(shù)，2016年建成產(chǎn)能幾十噸/年的驗證廠，目標(biāo)是2020年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。CNF的強(qiáng)度為鋼的5～6 倍，質(zhì)量只有其20%，適用作氧氣難以通過的食品包裝材料、化妝品的增稠劑、輪胎等橡膠補(bǔ)強(qiáng)材料等，預(yù)期到2030年的市場規(guī)模為1×1012日元。

第一工業(yè)制藥公司首先將自制的CNF“レオクリスタ”應(yīng)用于電動汽車用的輕量小型鋰離子二次電池中，現(xiàn)正由日本環(huán)境/經(jīng)產(chǎn)省進(jìn)行電池制造和性能評價，以及燃費提高效果和CO2削減效果的驗證。此外，該公司還將CNF提供給三菱鉛筆公司作為其黑、紅、藍(lán) 3 色圓珠筆的油墨增稠劑，新型圓珠筆名“ュニボールシグノUMN-307，在北美售價2 美元/支，自2016年9月起擴(kuò)大售往歐洲。

南喬治亞大學(xué)Herty先進(jìn)材料發(fā)展中心（HAMDC）研發(fā)了生物質(zhì)的高性能微結(jié)晶CNF，據(jù)稱其強(qiáng)度近似于Kevlar，適用于汽車和飛機(jī)的生物質(zhì)復(fù)合材料用途，今后還可擴(kuò)大應(yīng)用于增強(qiáng)塑料和特種涂料，目前擁有500L的反應(yīng)器及改造裝置。

11 碳納米管(CNT)復(fù)合材料纖維及其復(fù)合材料

CNT作為紗線在國內(nèi)外早已研制成功，但未見有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，長CNT纖維也已試制成功，只少量應(yīng)用。CNT增強(qiáng)的復(fù)合材料纖維是近年來研發(fā)較多的課題，發(fā)表了一些專利文獻(xiàn)，得到了少量應(yīng)用。

日本太陽日酸公司將長度100～150 μm和直徑約14 nm的長尺寸多層（4～12 層）CNT（純度99.5%以上），通過浸漬法，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.025%和0.05%的長尺寸CNT成功地附著固定于平均粒徑為25 μm的聚四氯乙烯（PTFE）粒子表面。

表2 Zetta方式與其他方式NF制法的比較

用極低的CNT添加量（占PTFE 1/15～1/1 500的添加量），實現(xiàn)了材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗靜電性，并提高了力學(xué)性能。可應(yīng)用于防靜電的電子部件、散熱用電子部件、汽車部件和防止材料成型、切削加工時發(fā)生熱膨脹。

美國喬治亞技術(shù)學(xué)院曾連續(xù)發(fā)表了3 篇有關(guān)CNT與PAN通過凝膠紡絲法制備復(fù)合材料纖維的論文，研究了其預(yù)氧化、預(yù)氧化反應(yīng)力學(xué)和氣體環(huán)境的影響，預(yù)氧化條件對碳纖維性能的影響。一些公司也發(fā)表了在PAN原絲制造過程添加入極少質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%～3%）CNT，使最終PAN-CF的力學(xué)性能得到提高。

法國PPSM和MSSMAT實驗室研究了連續(xù)電沉積法將聚吡咯固定于CNT上，制成碳纖維混雜體。

日本W(wǎng)aseda大學(xué)研究聚乙烯醇二甲基亞砜（DMSO）溶液浸漬高密度化的無捻CNT絲，使CNT間通過PVA強(qiáng)固的結(jié)合在一起，然后來增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，使復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量比CNT處理前有所提高。

日本ShizuoKa大學(xué)采用高取向度的CNT片材，開發(fā)了CNT復(fù)合材料新型大應(yīng)變傳感器，具有薄、柔軟、伸縮性和高應(yīng)答性，在直線方向有電氣特性。

日本可樂麗公司通過在PVA纖維中添加少量CNT，而大大提高其力學(xué)性能，并賦予抗靜電和阻燃性。同時實現(xiàn)涂覆有CNT的聚酯纖維“CNTEC”的產(chǎn)業(yè)化，目前正推進(jìn)其用途開拓。

12 石墨烯復(fù)合材料纖維

石墨烯也可制成石墨烯纖維紗，但未見有產(chǎn)業(yè)化報道。

日本東京工業(yè)大學(xué)研究了以石墨烯納米帶狀物（GONR）作為PAN原絲添加劑的PAN復(fù)合材料纖維及其紡織品，并以它作為PAN原絲燒成PAN-CF。制法是將少量納米條帶狀石墨烯與PAN-DMF紡絲液混勻，通過靜電紡絲法制成PAN復(fù)合材料纖維（如圖13所示）。

其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%GONR的PAN復(fù)合材料NF紗的拉伸強(qiáng)度為179 MPa、模量5.5 GPa，而未加GONR的PAN NF的強(qiáng)度和模量各為69.7 MPa和 3.34 GPa，各提高了260%和170%。在1 000 ℃氫氣氛中碳化后，拉伸強(qiáng)度為382.4 MPa，高于通過濕紡取得的同樣組份原絲所制得的碳纖維強(qiáng)度（378 MPa）。

13 海水淡化用中空纖維反滲透和正滲透膜

圖13 靜電紡絲法制成PAN復(fù)合材料纖維

海水淡化用中空纖維反滲透（RO）膜，由于單位體積的膜面積大，無需支撐材料，設(shè)備緊湊，容易反洗，加上占主流的三醋酸纖維素（CTA）材質(zhì)對菌類和消毒劑的耐受性優(yōu)，易于反洗，因此極適用于容易滋生菌類的相對封閉海域的海水淡化，如地中海、波斯灣、我國的渤海灣等。

目前其市場已超過卷式RO膜的海水淡化裝置，今后在我國南海等島礁建設(shè)將發(fā)揮重要作用。中空纖維海水淡化裝置，在技術(shù)上先后經(jīng)歷了從高壓、低壓到兩頭開口型的RO膜元件，到正滲透（FO）膜的研發(fā)過程。所謂FO膜法，是利用具有高滲透壓的驅(qū)動溶液（DS）來進(jìn)行海水淡化，由于它無需外接壓力就可實現(xiàn)鹽的分離，廢水量少，可實現(xiàn)濃鹽水的直接排放，因此研發(fā)工作盛行，目前尚需進(jìn)一步開發(fā)超薄耐腐蝕的中空纖維膜，使海水與溶劑能緊密接觸提高滲透壓，高效阻防鹽分和雜質(zhì)。

據(jù)日本化工協(xié)會的測算，到2020年RO膜元件（包括卷式膜和中空纖維膜）的產(chǎn)量可望達(dá)到6.1×105只，由于逐步取代蒸餾法，可削減約1.7×108t以上的CO2排放量。

14 結(jié)束語

國內(nèi)外主要高科技纖維的創(chuàng)新發(fā)展，展示了高科技纖維未來的生命力及廣闊的應(yīng)用前景，但更多的是給國內(nèi)業(yè)界增添了更大的壓力。讓我們共同擔(dān)負(fù)起振興中華的使命，在國內(nèi)外已取得成就的基礎(chǔ)上，加速創(chuàng)新，為實現(xiàn)“工業(yè)2025”貢獻(xiàn)一份力量。

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Great innovations of hi-tech fibers were comming

LUO Yi-feng, LUO Xi-min

( National Specialty Synthetize Fiber Information Center, Beijing 100028 China )

Great innovations of 19 main Specialty Fibers were introduced, in which the tensile strength of Toray's PAN-CF T2000 reached 60 GPa, the production efficiency of PAN-CF will rise 10 times in 2017, the tensile strength of White Russian viscose-based carbon fiber had reached 2 GPa, the tensile strength of mesophase pitchbased carbon fiber produced by Mitsubishi Resin Company have raised 20% and the deformability was improved, 13 new varieties of Kevlar produced by Du Pont during 15 years, Teijin's Conex neo was easy to dye and 0.9 dtex of ultrafine product was developed, hollow micro and nano ceramic powder was suggested to add into basalt fiber composite to solve its higher density and higher 3 timecost if compared with glass fiber reinforced plastic, the time of high temperature treatment will be shorten largely for aromatic polyester fiber in near future, the highest strength and high modulus PIM fiber will be R&D direction in future, non chlorine process of PPS and 0.2 dtex PPS spinning process were important innovations, the added of CNT and graphene into traditional fibers will open up new application fields for these composite fibers, while hollow fiber FO membrane has been developing.

specialty fiber; application; innovation; challenge; counter measure

TQ342.7; TQ342.8; TQ343

A

1007-9815（2016）02-0001-13

定稿日期:2016-04-27

羅益鋒（1937-），男，浙江寧波人，教授級高工，中心主任，《高科技纖維與應(yīng)用》雜志主編，中國新材料技術(shù)協(xié)會會長，中國化纖工業(yè)協(xié)會顧問，波恩項目投資有限公司專家組組長，從事高新技術(shù)纖維、復(fù)合材料、新能源化工等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和信息綜合研究，(電子信箱)luoyifengzg@163.com。