纤维新材料发展趋势与战略思考
论文
结合20年来化纤及其产业的发展历程，认为二十一世纪我国功能性化纤新材料的开发研究，及其功能性涂层类产品的加工制造, 将会由目前主要倾向于功能性第三单体的接枝、共聚和共混纺丝等, 适宜地向添加功能性助剂、表面处理剂和混纤化的后加工拓展。提出了加速推进我国功能性纤维及其织物坯基材料的若干战略建议。我国化纤加工能力及其实际产且在本世纪末已经稳居世界之首。新千年的新目标就是要将中国建设成为世界化纤一纺织的工业强国. 展望二十一世纪，我们的功能性化纤新材料及其织物坯基的研究开发，包括功能性涂层类产品的加工制造, 将以可持续发展的战略抉择。世界化纤发展概况 当今世界化学纤维的发展趋势大致表现在四个方面:其中两个是新品种开发, 即品种的差别化和纤维材料化、功能化; 两个是工艺方面的, 即工艺的高效化和生产的弹性化。品种和工艺是技术的两个侧面, 两者不能绝对分开。
阻燃纤维专门用于生产阻燃毛毯和其它垫类产品。该类产品具有永久阻燃效果，其阻燃原理是利用磷化合物制成的聚酯纤维纺织而成。此类产品不易起燃，遇到火苗时，纤维会萎缩，集结成球，是安全性极高的防火素材，具有消火性、阻燃性。近日，国家科技部评选并公布了2008-2009年“国家重点新产品计划”立项项目名单，山东海龙股份有限公司的新产品——阻燃抗熔融粘胶纤维榜上有名。山东海龙研制开发的阻燃抗熔融粘胶纤维是在国家“863”计划项目《阻燃抗熔融纤维新材料及纺织品的研制开发》的基础上成功研制开发的高技术纤维。该纤维及纺织品同时具有阻燃、隔热和抗熔滴的效果，可广泛应用于民用、工业及军事等领域，具有极好的应用前景，潜在市场巨大。该技术填补了国内空白，生产技术达到国际先进水平。
聚丙烯纤维的阻燃改性主要是通过添加改性和阻燃后整理的方法制备。目前，聚丙烯主要通过利用卤素阻燃剂和三氧化二锑等协效剂共同作用来获得阻燃效果，通常首先在聚丙烯切片中添加高浓度的阻燃剂及其它助剂，经过共混制造阻燃母粒，然后与常规聚丙烯切片纤维熔融纺丝成形，制备具有阻燃性的聚丙烯纤维。磷—溴协效阻燃体系用于聚丙烯纤维的阻燃具有良好的阻燃效果，环境污染小，而磷—氮协效阻燃体系用于聚丙烯纤维具有更好的阻燃效果，但是在聚丙烯纤维中的应用条件相对较高。
可用作为聚酰胺6及聚酰胺66共聚阻燃改性的阻燃剂主要有红磷和二羧酸乙基甲基磷酸酯等。红磷常与惰性化合物，如氢氧化锰、氢氧化铝等共同作用对聚酰胺6及聚酰胺66
进行阻燃改性。国内用于生产阻燃聚酰胺纤维比较好的共聚阻燃剂是山西化纤研究所生产的 NF —8702型聚酰胺纤维阻燃剂。膨胀型阻燃体系在聚酰胺纤维阻燃改性方面具有潜在的市场应用价值。用于聚酰胺共混改性的阻燃剂比较多，如低相对分子质量的含磷化合物、氯代聚乙烯、溴代季戊四醇及三氧化二锑等。采用硼、锑和溴组成的三元阻燃体系对聚酰胺进行阻燃改性，其阻燃效果比较好。另外采用红磷或微胶囊化的红磷与聚酰胺共混纺丝也能获得具有自熄灭性能的阻燃聚酰胺纤维。
共聚阻燃改性方法主要是在聚丙烯腈纤维中引入含有卤素或磷元素等 的共聚单体，如氯乙烯、二氯乙烯、烯丙基磷酸烷基、乙烯基双(2—氯代乙基) 磷酸等共聚单体。目前世界上已经工业化生产的阻燃聚丙烯腈纤维大都采用共聚法制造。由于共混阻燃聚丙烯腈纤维中阻燃剂的含量不能太高，因而要选用高效的阻燃剂，且阻燃剂在纺丝原液中的溶解性和均匀稳定分散性要好，以及与聚丙烯腈的相容性，纺丝过程中的保留率、耐洗涤性及毒性等，因此阻燃剂的选择难度较大，目前已工业化的共混阻燃聚丙烯膀纤维的品种很少。
可用于聚酯纤维的添加型阻燃剂比较多，添加阻燃剂也是聚酯纤维最初的阻燃改性方法。阻燃剂主要有卤素阻燃剂和磷系阻燃剂。其中卤素阻燃剂中又以溴类阻燃剂的阻燃效果为最好，且可与通过锑类化合物(如三氧化二锑) 与其形成协效作用来提高其阻燃效果。磷系阻燃剂中各种有机磷酸酯、磷酸酯、磷化合物以及氧化磷等阻燃剂都可以用于聚酯纤维阻燃改性。其中芳香族磷酸酯热分解稳定性好，加入到聚酯熔体中对聚酯的热降解影响较小，从而不会影响纺丝工艺和纤维的性能。目前，添加型阻燃剂在一些小的聚酯纤维生产企业中得到了广泛的应用。聚酯纤维用反应型阻燃剂是指分子中含有阻燃元素(磷、氯、溴、氮) 及活性基团(羧基、羟基以及酸酐等) 的小分子阻燃剂。反应型阻燃剂将逐渐取代添加型阻燃剂。通常加入较低含量(3％—8％) 的阻燃剂就可以使纤维具有良好的阻燃效果。可用于聚酯纤维的反应型阻燃剂包括卤素和磷系阻燃剂。目前国际上最常用的是磷系共聚型阻燃剂。磷系阻燃剂对聚酯纤维具有良好的阻燃效果，且燃烧过程中没有毒性气体的生成，属于环保友好型阻燃体系。我国山东青岛大学开发的磷系阻燃剂羧酸烷基磷酸（SP —FR Ⅱ），是我国首次研制开发成功并商业化生产的聚酯纤维用共聚型磷系阻燃剂，目前已达到世界上同类产品的技术标准。日本采用聚酯与次磷二酸衍生物以及化学元素表中第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ族中至少一种金属元素的氧化物共聚来生产阻燃聚酯纤维。
2013年世界PAN 基碳纤维的需求将达到5万t/a,比2010年增长67%,到2015年可望达到7万t/a,比2010年扩大2.3倍。从2001年至今的10年间, 碳纤维复合材料的专利申
请量美国约有1 611件, 欧洲5 181件, 日本2 510件, 中国大陆806件。信息表明,CFRP 成型技术的改进及其新产品的开发一直是本世纪最活跃的研发领域。而近期的研发方向, 重点将围绕大型CFRP 风电叶片的工艺改进、电动汽车整车配套部件的研发、CFRP 建筑补强技术和材料的改进、碳纤维增强热塑性树脂品种的多样化及轻质结构飞行器的开发等。
纤维增强复合材料不仅是高技术及尖端技术领域关键材料，同时也是汽车、新能源、新型建材、信息产业、石油化工、环保等领域更新换代和产业升级中的重要材料。全球面临能源危机和资源短缺，纤维增强复合材料迎来了新的发展机遇。
碳纤维作为特种高性能合成纤维的佼佼者，在全球发展最为快速，因其具有与传统增强纤维无法比似的特性，在高端领域得到了大量应用。多年来，海外碳纤维制造商一直看好中国持续增长的市场，此次展会，全球著名的碳纤维制造企业东丽、东邦、三菱、卓尔泰克、赫氏、西格里、台塑、晓星等企业都展示了各具特色的高性能碳纤维、预浸料和制品。活跃在全球碳纤维市场的土耳其DOWAKSA 公司是全球聚丙烯腈和碳纤维产量最大的制造商，今年首次入展，据了解，2012年其在中国的销量在1500吨以上。
中国不饱和聚酯树脂行业协会副秘书长赵鸿汉表示，多年来，我国碳纤维开发已成为国内碳纤维复合材料发展的瓶颈，形成了进口碳纤维，国内深加工的受制约格局。为追赶世界碳纤维发展步伐，全国目前有30多家企业在展开研发和应用，并形成了大连、威海、连云港[0.60%资金研报]、哈尔滨、宜兴、东莞、宁波、北京、上海等碳纤维加工和制造基地。据有关资料显示，2012年全球碳纤维需求量在6万吨左右，产能10万吨，中国需求量在6000吨。某资讯机构预测，按12%的增长率，到2020年可达到8万吨。在这次展会上展出的其他高性能纤维还有全球著名芳纶纤维制造商帝人化学和超高分子相对质量聚乙烯纤维制造商帝斯曼爱地。
传统材料复合化创新，推动应用水平提升和应用面更宽，是未来发展趋势。据有关方面透露，泡沫夹芯结构正在朝着微孔、高强、超薄、低吸油量方面开发。河北德动新能源汽车股份有限公司以开发新能源轻量化汽车和配件首次参展和尝试。该公司设计年产能为20万辆电动汽车，引进了一条德国复合材料生产线，将生产各种轻量化汽车配件进入市场。
纤维新材料之中的高性能纤维属特殊用途材料，是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维。产量虽不大，但在国民经济和国防建设中占有重要地位。按性能可分为耐腐蚀性纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、高强度高模量纤维、功能纤维和弹性体纤维等。高性能纤维增强复合材料是复合材料的一种，占我国复合材料市场总量的70%左右。高纤复材是由高性能纤维或纤维织物、聚合物作为原料，按照制造业对材料性能的要求，进行设计并制造的一种固体新材料。学术界和工程界一致认为21世纪是复合材料的时代，世界上各先进国家都将复合材料列为国家发展的关键技术，我国“863”、“973”计划、国防科技发展战略及国家建材2010年发展规划都把复合材料列为重中之重。
在众多的先进增强纤维品种当中, 应用最广的纤维是阿拉米德纤维、碳纤维和特殊的玻璃纤维, 它们约占98写的市场, 而且这种态势将一直保持到1997年。碳纤维 目前, 碳纤维的产量占增强纤维总产量的1%,需求增长速度很快。根据常用的按物理机械指标分类的方法, 碳纤维可分为高强度和低强度。
目前，用于高温过滤产品的高性能纤维主要有玻璃纤维、Nomex 纤维、P84纤维、PPS 纤维、PETT 纤维。由于前几种纤维自身的特性，使用范围受到了一定影响。玻璃纤维比较脆，Nomex 纤维耐氧化性差，P84纤维易水解老化，PPS 纤维使用温度较低。而PETT 纤维耐化学腐蚀、耐高温，能在各种恶劣环境下使用并取得较好的效果，也比其他纤维制成的滤料有更长的使用寿命。我国已经形成100％PETT 滤料的工业化生产，厦门三维丝环保股份有限公司研制的针刺过滤毡产品申请了专利。
虽然PETT 具有良好的耐温和耐化学腐蚀性能，但价格昂贵且过滤效率相对其它纤维制成滤料没有优势。为此，有企业在其中加入适量的超细玻璃纤维，既不影响耐温性能，又能提高滤料的过滤效率和降低率料价格，也扩大了适用范围和延长使用寿命。在此次交流会上，记者接触了多家生产PETT 的企业，他们非常看好这种纤维的应用，如何拓展销售是其现在的关键。 以新纤维复合材料针刺非织造布的革基布符合了人造革高物性、生态型、功能化的发展趋向。 近两年尤其超细纤维材料的应用，极大促进了人造革合成革产品的市场，使其具有防水、透湿、抗菌防臭的性能，调温纤维及进行过表面改性的纤维生产的功能性革基布更是进入了合成革高端市场领域。 王华平教授的讲座让我们更加深刻的了解我们队纤维新材料，也让我们队纤维新材料的发展趋势和战略有了更大的兴趣，对此我感想颇多，我也更希望通过此次讲座，我们学校和我们的同学都能更加努力，在我们的手中将此延续，创造我们属于这一代人成就，这一领域还有很多未知，我会不懈努力，希望在未来纤维新材料的发展会有我的参与。
纤维新材料发展趋势与战略思考
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结合20年来化纤及其产业的发展历程，认为二十一世纪我国功能性化纤新材料的开发研究，及其功能性涂层类产品的加工制造, 将会由目前主要倾向于功能性第三单体的接枝、共聚和共混纺丝等, 适宜地向添加功能性助剂、表面处理剂和混纤化的后加工拓展。提出了加速推进我国功能性纤维及其织物坯基材料的若干战略建议。我国化纤加工能力及其实际产且在本世纪末已经稳居世界之首。新千年的新目标就是要将中国建设成为世界化纤一纺织的工业强国. 展望二十一世纪，我们的功能性化纤新材料及其织物坯基的研究开发，包括功能性涂层类产品的加工制造, 将以可持续发展的战略抉择。世界化纤发展概况 当今世界化学纤维的发展趋势大致表现在四个方面:其中两个是新品种开发, 即品种的差别化和纤维材料化、功能化; 两个是工艺方面的, 即工艺的高效化和生产的弹性化。品种和工艺是技术的两个侧面, 两者不能绝对分开。
阻燃纤维专门用于生产阻燃毛毯和其它垫类产品。该类产品具有永久阻燃效果，其阻燃原理是利用磷化合物制成的聚酯纤维纺织而成。此类产品不易起燃，遇到火苗时，纤维会萎缩，集结成球，是安全性极高的防火素材，具有消火性、阻燃性。近日，国家科技部评选并公布了2008-2009年“国家重点新产品计划”立项项目名单，山东海龙股份有限公司的新产品——阻燃抗熔融粘胶纤维榜上有名。山东海龙研制开发的阻燃抗熔融粘胶纤维是在国家“863”计划项目《阻燃抗熔融纤维新材料及纺织品的研制开发》的基础上成功研制开发的高技术纤维。该纤维及纺织品同时具有阻燃、隔热和抗熔滴的效果，可广泛应用于民用、工业及军事等领域，具有极好的应用前景，潜在市场巨大。该技术填补了国内空白，生产技术达到国际先进水平。
聚丙烯纤维的阻燃改性主要是通过添加改性和阻燃后整理的方法制备。目前，聚丙烯主要通过利用卤素阻燃剂和三氧化二锑等协效剂共同作用来获得阻燃效果，通常首先在聚丙烯切片中添加高浓度的阻燃剂及其它助剂，经过共混制造阻燃母粒，然后与常规聚丙烯切片纤维熔融纺丝成形，制备具有阻燃性的聚丙烯纤维。磷—溴协效阻燃体系用于聚丙烯纤维的阻燃具有良好的阻燃效果，环境污染小，而磷—氮协效阻燃体系用于聚丙烯纤维具有更好的阻燃效果，但是在聚丙烯纤维中的应用条件相对较高。
可用作为聚酰胺6及聚酰胺66共聚阻燃改性的阻燃剂主要有红磷和二羧酸乙基甲基磷酸酯等。红磷常与惰性化合物，如氢氧化锰、氢氧化铝等共同作用对聚酰胺6及聚酰胺66
进行阻燃改性。国内用于生产阻燃聚酰胺纤维比较好的共聚阻燃剂是山西化纤研究所生产的 NF —8702型聚酰胺纤维阻燃剂。膨胀型阻燃体系在聚酰胺纤维阻燃改性方面具有潜在的市场应用价值。用于聚酰胺共混改性的阻燃剂比较多，如低相对分子质量的含磷化合物、氯代聚乙烯、溴代季戊四醇及三氧化二锑等。采用硼、锑和溴组成的三元阻燃体系对聚酰胺进行阻燃改性，其阻燃效果比较好。另外采用红磷或微胶囊化的红磷与聚酰胺共混纺丝也能获得具有自熄灭性能的阻燃聚酰胺纤维。
共聚阻燃改性方法主要是在聚丙烯腈纤维中引入含有卤素或磷元素等 的共聚单体，如氯乙烯、二氯乙烯、烯丙基磷酸烷基、乙烯基双(2—氯代乙基) 磷酸等共聚单体。目前世界上已经工业化生产的阻燃聚丙烯腈纤维大都采用共聚法制造。由于共混阻燃聚丙烯腈纤维中阻燃剂的含量不能太高，因而要选用高效的阻燃剂，且阻燃剂在纺丝原液中的溶解性和均匀稳定分散性要好，以及与聚丙烯腈的相容性，纺丝过程中的保留率、耐洗涤性及毒性等，因此阻燃剂的选择难度较大，目前已工业化的共混阻燃聚丙烯膀纤维的品种很少。
可用于聚酯纤维的添加型阻燃剂比较多，添加阻燃剂也是聚酯纤维最初的阻燃改性方法。阻燃剂主要有卤素阻燃剂和磷系阻燃剂。其中卤素阻燃剂中又以溴类阻燃剂的阻燃效果为最好，且可与通过锑类化合物(如三氧化二锑) 与其形成协效作用来提高其阻燃效果。磷系阻燃剂中各种有机磷酸酯、磷酸酯、磷化合物以及氧化磷等阻燃剂都可以用于聚酯纤维阻燃改性。其中芳香族磷酸酯热分解稳定性好，加入到聚酯熔体中对聚酯的热降解影响较小，从而不会影响纺丝工艺和纤维的性能。目前，添加型阻燃剂在一些小的聚酯纤维生产企业中得到了广泛的应用。聚酯纤维用反应型阻燃剂是指分子中含有阻燃元素(磷、氯、溴、氮) 及活性基团(羧基、羟基以及酸酐等) 的小分子阻燃剂。反应型阻燃剂将逐渐取代添加型阻燃剂。通常加入较低含量(3％—8％) 的阻燃剂就可以使纤维具有良好的阻燃效果。可用于聚酯纤维的反应型阻燃剂包括卤素和磷系阻燃剂。目前国际上最常用的是磷系共聚型阻燃剂。磷系阻燃剂对聚酯纤维具有良好的阻燃效果，且燃烧过程中没有毒性气体的生成，属于环保友好型阻燃体系。我国山东青岛大学开发的磷系阻燃剂羧酸烷基磷酸（SP —FR Ⅱ），是我国首次研制开发成功并商业化生产的聚酯纤维用共聚型磷系阻燃剂，目前已达到世界上同类产品的技术标准。日本采用聚酯与次磷二酸衍生物以及化学元素表中第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ族中至少一种金属元素的氧化物共聚来生产阻燃聚酯纤维。
2013年世界PAN 基碳纤维的需求将达到5万t/a,比2010年增长67%,到2015年可望达到7万t/a,比2010年扩大2.3倍。从2001年至今的10年间, 碳纤维复合材料的专利申
请量美国约有1 611件, 欧洲5 181件, 日本2 510件, 中国大陆806件。信息表明,CFRP 成型技术的改进及其新产品的开发一直是本世纪最活跃的研发领域。而近期的研发方向, 重点将围绕大型CFRP 风电叶片的工艺改进、电动汽车整车配套部件的研发、CFRP 建筑补强技术和材料的改进、碳纤维增强热塑性树脂品种的多样化及轻质结构飞行器的开发等。
纤维增强复合材料不仅是高技术及尖端技术领域关键材料，同时也是汽车、新能源、新型建材、信息产业、石油化工、环保等领域更新换代和产业升级中的重要材料。全球面临能源危机和资源短缺，纤维增强复合材料迎来了新的发展机遇。
碳纤维作为特种高性能合成纤维的佼佼者，在全球发展最为快速，因其具有与传统增强纤维无法比似的特性，在高端领域得到了大量应用。多年来，海外碳纤维制造商一直看好中国持续增长的市场，此次展会，全球著名的碳纤维制造企业东丽、东邦、三菱、卓尔泰克、赫氏、西格里、台塑、晓星等企业都展示了各具特色的高性能碳纤维、预浸料和制品。活跃在全球碳纤维市场的土耳其DOWAKSA 公司是全球聚丙烯腈和碳纤维产量最大的制造商，今年首次入展，据了解，2012年其在中国的销量在1500吨以上。
中国不饱和聚酯树脂行业协会副秘书长赵鸿汉表示，多年来，我国碳纤维开发已成为国内碳纤维复合材料发展的瓶颈，形成了进口碳纤维，国内深加工的受制约格局。为追赶世界碳纤维发展步伐，全国目前有30多家企业在展开研发和应用，并形成了大连、威海、连云港[0.60%资金研报]、哈尔滨、宜兴、东莞、宁波、北京、上海等碳纤维加工和制造基地。据有关资料显示，2012年全球碳纤维需求量在6万吨左右，产能10万吨，中国需求量在6000吨。某资讯机构预测，按12%的增长率，到2020年可达到8万吨。在这次展会上展出的其他高性能纤维还有全球著名芳纶纤维制造商帝人化学和超高分子相对质量聚乙烯纤维制造商帝斯曼爱地。
传统材料复合化创新，推动应用水平提升和应用面更宽，是未来发展趋势。据有关方面透露，泡沫夹芯结构正在朝着微孔、高强、超薄、低吸油量方面开发。河北德动新能源汽车股份有限公司以开发新能源轻量化汽车和配件首次参展和尝试。该公司设计年产能为20万辆电动汽车，引进了一条德国复合材料生产线，将生产各种轻量化汽车配件进入市场。
纤维新材料之中的高性能纤维属特殊用途材料，是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维。产量虽不大，但在国民经济和国防建设中占有重要地位。按性能可分为耐腐蚀性纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、高强度高模量纤维、功能纤维和弹性体纤维等。高性能纤维增强复合材料是复合材料的一种，占我国复合材料市场总量的70%左右。高纤复材是由高性能纤维或纤维织物、聚合物作为原料，按照制造业对材料性能的要求，进行设计并制造的一种固体新材料。学术界和工程界一致认为21世纪是复合材料的时代，世界上各先进国家都将复合材料列为国家发展的关键技术，我国“863”、“973”计划、国防科技发展战略及国家建材2010年发展规划都把复合材料列为重中之重。
在众多的先进增强纤维品种当中, 应用最广的纤维是阿拉米德纤维、碳纤维和特殊的玻璃纤维, 它们约占98写的市场, 而且这种态势将一直保持到1997年。碳纤维 目前, 碳纤维的产量占增强纤维总产量的1%,需求增长速度很快。根据常用的按物理机械指标分类的方法, 碳纤维可分为高强度和低强度。
目前，用于高温过滤产品的高性能纤维主要有玻璃纤维、Nomex 纤维、P84纤维、PPS 纤维、PETT 纤维。由于前几种纤维自身的特性，使用范围受到了一定影响。玻璃纤维比较脆，Nomex 纤维耐氧化性差，P84纤维易水解老化，PPS 纤维使用温度较低。而PETT 纤维耐化学腐蚀、耐高温，能在各种恶劣环境下使用并取得较好的效果，也比其他纤维制成的滤料有更长的使用寿命。我国已经形成100％PETT 滤料的工业化生产，厦门三维丝环保股份有限公司研制的针刺过滤毡产品申请了专利。
虽然PETT 具有良好的耐温和耐化学腐蚀性能，但价格昂贵且过滤效率相对其它纤维制成滤料没有优势。为此，有企业在其中加入适量的超细玻璃纤维，既不影响耐温性能，又能提高滤料的过滤效率和降低率料价格，也扩大了适用范围和延长使用寿命。在此次交流会上，记者接触了多家生产PETT 的企业，他们非常看好这种纤维的应用，如何拓展销售是其现在的关键。 以新纤维复合材料针刺非织造布的革基布符合了人造革高物性、生态型、功能化的发展趋向。 近两年尤其超细纤维材料的应用，极大促进了人造革合成革产品的市场，使其具有防水、透湿、抗菌防臭的性能，调温纤维及进行过表面改性的纤维生产的功能性革基布更是进入了合成革高端市场领域。 王华平教授的讲座让我们更加深刻的了解我们队纤维新材料，也让我们队纤维新材料的发展趋势和战略有了更大的兴趣，对此我感想颇多，我也更希望通过此次讲座，我们学校和我们的同学都能更加努力，在我们的手中将此延续，创造我们属于这一代人成就，这一领域还有很多未知，我会不懈努力，希望在未来纤维新材料的发展会有我的参与。