对位芳纶全球市场、应用领域及产业发展分析


你听说过神秘的“黄金丝”吗?它是一种高科技纤维,颜色金黄,价格昂贵,因此被人们称为“黄金丝”。它具有超高强度,而且高模量、耐高温、耐酸碱、重量轻,性能优良。人们形象地将它比喻为“子弹打不透、烈火烧不着”,这种纤维的名字叫对位芳纶纤维。

你听说过神秘的“黄金丝”吗?它是一种高科技纤维,颜色金黄,价格昂贵,因此被人们称为“黄金丝”。它具有超高强度,而且高模量、耐高温、耐酸碱、重量轻,性能优良。人们形象地将它比喻为“子弹打不透、烈火烧不着”,这种纤维的名字叫对位芳纶纤维。

芳纶纤维与碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维并称为三大高性能纤维,在国防军工和民用工业上都有广泛的应用,是强国强军的战略物资。产品主要应用在光纤光缆、绳缆织带、骨架材料、复合材料、摩擦密封材料、纺织和防弹防护等领域,标配就是防弹衣。

用芳纶纤维制作的防弹衣重量只有1.5kg,承受和分散子弹、弹片能量的强度比钢板高数倍,可以抵抗轻机枪的连射。作为纤维材料领域中的“金字塔”,我国的高性能纤维产业起步较晚,技术水平和规模化生产能力与发达国家有较大的差距。高性能纤维的生产技术过去一直被西方国家封锁。随着我国国防军工和国民经济的发展,对高性能纤维的需求量会愈来愈大。而国际上,产品价格却不断上涨,国内高性能纤维在国防和特殊领域上的应用还受制于国外供应。因此,大力发展高性能纤维产业,打破国外封锁与垄断,进一步提升我国的军事装备实力和国民经济的产业升级,成为我国化纤工业推进自主创新、转型升级的一个主攻方向。

中国石化历经16年时间,突破了聚合、纺丝、工程放大等关键核心技术,形成了具有自主知识产权的对位芳纶成套技术,对我国对位芳纶产业的发展具有重要意义。这项成果突破了国外的技术封锁,填补了国内空白,攻克了国内多个攻关团队久攻不下的难题。本文将介绍全球对位芳纶的生产应用情况以及我国对位芳纶日后的发展趋势,并对我国对位芳纶的产业发展提出了建议。

一、对位芳纶的研发

对位芳纶的发现和后续的应用开发都与美国杜邦公司密不可分。早在1945年,随着尼龙纤维的商业化和聚酯纤维的发展,杜邦公司的领导层就制定了长远发展规划,希望在之后的生产中,开发出一种兼具超高强度、耐高温的纤维。到了20世纪60年代,杜邦公司对低温溶液聚合方法的完善和无机盐溶液促进难溶聚合物溶解过程的研究为芳纶的诞生奠定了基础,随后在1972年,杜邦公司解决了对位芳纶纺丝问题,从而推出了商业化的对位芳纶并命名为Kelvar。

各国的对位芳纶研发也不甘落后,相继推出类似产品。日本帝人公司于1972年开始生产自己的对位芳纶并命名为Technora,荷兰阿克苏诺贝尔公司在1986年推出的对位芳纶商品名为Twaron,韩国科龙公司于1979年开始研发,2005年实现工业级生产。俄罗斯早在1985年就建成了生产线,商品名为Terlon,后来却转向杂环芳纶,其主要型号有Armos、SVM和Rusar。

我国对位芳纶的研究始于1972年,在之后的20年间,先后经历了实验室研究、小试和中试等几个阶段,并被列为国家重大科技攻关项目和国家“863”计划,取得了一系列科研成果,但由于诸多原因,并未能实现产业化。近年来泰和新材、中蓝晨光和平煤神马等公司在芳纶领域持续攻坚克难,向市场推出了许多工业化产品,但是对位芳纶的性能和产能对比国外领先水平仍然有些差距。另外国产对位芳纶也大多应用在低端市场,能够用于军事国防和航空航天上的少之又少。因此对位芳纶及其产品的研发生产在我国仍然是个技术难题。

二、芳纶的应用领域

1. 军事国防领域

芳纶复合材料可以制造导弹的固体火箭发动机壳、压力容器、宇宙飞船驾驶舱、潜艇、防弹装甲车、防弹运钞车、防弹板、防弹头盔、防弹衣等。

2. 安全防护领域

个体防护装备的阻燃耐高温性能是保障人员安全的重要条件。随着材料科学技术及纺织加工技术的发展,阻燃防护服已经由暂时性阻燃整理、半耐久性阻燃整理逐步发展为耐久性阻燃整理以及本质阻燃材料的应用。

3. 橡胶补强领域

由于橡胶的弹性大,弹性模量较低,在外力作用下极易产生变形,因此很多橡胶制品都必须用纤维材料或金属材料作为骨架。以芳纶制成的帘子布、线绳、纱线、帆布、整体带芯、直经直纬织物等被用作轮胎、动力传动胶带、物料输送胶带、胶管的骨架材料。

4. 环保领域

芳纶具有优异的耐热性、阻燃性和化学稳定性,可在高温恶劣环境中长期工作,是加工耐高温过滤袋的理想材料,用于钢铁、水泥、炭黑等空气污染较重领域的高温烟尘过滤。

由芳纶1313纤维所织成的非织造布具有非常好的过滤粉尘性质,例如:380g/m²的间位芳纶非织造布作为高温过滤布具有较涤纶布530g/m²及腈纶布600g/m²更好的过滤性质。在袋式除尘领域,对于间位芳纶滤袋,在废气温度不超过200℃,湿度6%,SO₂的含量为100ppm的情况下,使用寿命超过两年。

5. 电子电气材料领域

天线结构件

特种印刷电路基板

芳纶绝缘纸

光纤

6. 航空航天领域

芳纶可用于制作大型飞机的二次结构材料,如机舱门、窗、机翼、整流罩体表面等,也可以制作机内天花板、仓壁等,可减轻其重量。

7. 运动器材领域

充分利用芳纶耐高温、耐疲劳等特性,以制作运动条件苛刻的拳击手套、登山鞋靴、赛车车体、赛马头盔等,还可用于制作球拍、滑雪板、滑雪杆、雪橇、弓箭、弓弦、钓鱼竿、风筝骨架、高尔夫球棍、赛艇等。

8. 其他领域

密封材料

绳索

摩擦材料

建筑材料

三、我国对对位芳纶产业的发展要求

对位芳纶产品是我国重要的关键战略材料,在《中国制造2025》中提出,到2025年国产对位芳纶及其复合材料技术成熟度达到9级。建立统一标准的高性能纤维材料技术体系,攻克系列化高性能纤维高效制备产业化技术,开展与国产高性能纤维相匹配的复合材料基体材料,设计技术、成形工艺、性能表征、应用验证及回收再利用等研究,确保重大装备需求。对位芳纶断裂强度达到20~22cn/dtex,断裂伸长率达到3%-4% "。

工业和信息化部印发的《纺织工业发展规划(2016-2020年)》( 工信部规[2016] 305号)以及工业和信息化部与国家发展和改革委员会联合印发的《化纤工业“十三五”发展指导意见》(工信部联消费 [2016] 386 号),均提出推动高性能纤维及其复合材料在建筑交通、国防军工及航空航天等领域应用技术研发。突破对位芳纶等高性能纤维及复合材料关键技术装备、产品及应用产业化技术,推进对位芳纶等高性能纤维的系列化,以满足下游用户的需求。

国家和部委的其他文件也从不同角度对对位芳纶的产业发展提出了要求,如《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》(国发 [2016] 67 号)、《“十三五”国家科技创新规划》 (国发 [2016] 43号)、《新材料产业发展指南》(工信部联规[2016] 454 号)、战略性新兴产业重点产品和服务指导目录(2016 版》等文件,提出了要完善原辅料配套体系,提高材料成品率和性能稳定性,实现产业化和规模应用”和“突破高强高模碳纤维产业化技术、高性能芳纶工程化技术,开展大型复合材料结构件研究及应用测试",这些政策对我国对位芳纶研发和建设起到支持和鼓励作用。

四、我国对位芳纶产业优势

1. 我国对位芳纶工艺技术成熟

目前,我国对位芳纶生产多采用低温溶液连续聚合,聚合物分离、洗涤干燥后用浓硫酸重新溶解、干法纺丝,水洗干燥卷绕成型工艺。主流工艺在对位芳纶纺丝液制备时,先把单体溶解在溶剂中,然后在独特设计的反应装置进行聚合反应,得到比浓对数黏度更大的聚合体,采用这种装置温控容易、生产稳定,生产安全系数更大,保证了纺丝的顺利进行。在溶剂回收阶段,多数企业采用从水中将NMP萃取出来,废水作为萃余相送入蒸馏回收装置进行蒸馏分离。这种工艺生产安全性较高,并能节省投资成本,且能达到较高的回收效果。合理的工艺路线设计,使产品单耗不断地降低,产品质量日趋稳定,成本也逐步降低,我国对位芳纶的生产技术整体达到国际先进水平。

2. 对位芳纶产品性能优异

对位芳纶具有优良的力学性能,稳定的化学性质。其最突出的性能是高强度和高模量,强度是钢强度的3倍,是涤纶工业丝的4倍,初始模量可达414-1019 eN/dtex,为涤纶工业丝的4~10倍,为聚酰胺纤维的10倍以上。在光缆增强、防弹装甲、石棉替代、复合材料、个体防护等方面有着广泛、重要的用途,是航空航天信息技术、国防和汽车工业等领域的重要基础材料,被广泛应用于国防及现代工业中。

3. 下游产业高质量发展带来的需求增加

随着国内对位芳纶的技术进步,产量质量进一步提升、产品价格逐渐降低,将刺激对位芳纶下游行业产品开发和应用扩展。目前我国消费的对位芳纶产品大部分来自进口,随着国内对位芳纶产品的高质化生产,必将取代部分进口产品,潜在市场空间巨大。

随着更多差异化对位芳纶产品面向市场,必将填补国内现有市场的空白,在光缆增强、防弹装甲、石棉替代、复合材料、个体防护、航空航天、信息技术。国防和汽车工业等领域的重要基础材料,具有广阔的市场前景。这些因素将促使我国对位芳纶产业近期快速发展。

五、全球对位芳纶的生产及市场情况

(一)国际情况

1. 国际对位芳纶生产情况

对位芳纶最早由美国杜邦公司于20世纪60年代开发成功,1972年开始工业化生产。随后,荷兰、日本、韩国及俄罗斯等国家也开始了各自的研究工作。其中美国杜邦和日本帝人在对位芳纶领域拥有技术优势。

2018年国际对位芳纶的产能约9.2万1t,美国杜邦公司、日本帝人公司及韩国科龙和韩国晓星公司是世界主要的对位芳纶生产商。美国杜邦和日本帝人公司的产能约占全球总产能的65%,产能分别为3.6万Va和2.6万Va,在全球处于垄断地位。烟台泰和拥有对位芳纶产能1 500t,居国际领先地位。

2. 国际对位芳纶应用情况

2018年全球对位芳纶的产量约8.2万t,下游消耗量约8.0万t (表1),杜邦和帝人两个的产量占据了全球对位芳纶消费量的70%左右。

在主要应用领域中,其中航空航天与运动器材使用纤维占35%,汽车轮胎子午线及传送带材料用纤维占20%,高强绳索用纤维占10%,防弹衣与头盔用纤维占11%,其他建筑、轨道交通等增强材料占25%。预计未来5年,全球对位芳纶的需求量将达到13万t左右,市场增长空间巨大。

(二)国内情况

1. 国内市场需求情况

2018年国内对位芳纶消耗量在1万t左右,其中光缆加强用消耗量在4000 ~5000t,安全防护织物用量3000t左右。随着我国交通运输、光纤通信、高速铁路、航空补强、轻量汽车子午胎用帘子布及刹车片等领域和防护等领域应用的快速发展,对位芳纶的需求将呈现更加旺盛的局面。目前国内对位芳纶装置产能超过1万t,但实际有效产能约2000t,产量1500t左右(表2),仅有2%左右用于出口。在我国对位芳纶的市场需求中,除了国内1,500t产品供应外,其余全部来自进口,杜邦、帝人的供应量在5000~6000t,国产对位芳纶产量远远小于市场需求,可发展空间巨大。

未来5~10年,随着我国对位芳纶性能的提升,产品规格的继续丰富,以及下游制造及应用领域的高质量发展,对位芳纶生产规模的扩大带来的制造成本降低,对位芳纶的消费将更多应用到军工、航天、航空、运动休闲器材及建筑领域,预计市场需求增长率保持在10%左右。到2025年对位芳纶的需求量将达到20000t。

2. 对位芳纶市场情况

对位芳纶属于典型的军民两用材料,在军用方面,对位芳纶纤维织物具有高抗张强度、高弹性模量和低密度的性能特点,能迅速将子弹的冲击能量吸收并分散转移,避免造成“钝伤”,因而防护效果显著,被誉为“终极防弹材料”,广泛应用于防弹衣、防弹头盔、搜排爆服和军警作训服等个体防护装备。

截止2018年底,全球共有对位芳纶产能约7.6万t/a,主要集中于杜邦公司、帝人公司; 我国现有对位芳纶规模化生产企业3家,有效产能2000t/a左右。下游主要集中于安全防护、车用摩擦材料、光纤增强保护、橡胶增强等。

对位芳纶的军用市场

美国利用凯夫拉材料研发出来了著名的PASG吨头盔,是世界上第一种大量装备的防弹头盔。在此之后,各国开始防弹头盔研制工作,材料上基本都是采用对位芳纶。我国军队目前普遍装备的是QGF02/03式凯夫拉防弹头盔,另有部分军队依旧装备的是老旧的GK80钢盔,仍然存在替换需求。根据2018年底陆军装备部招标中心新型军用头盔招标结果,招标采购数量不少于35万顶,盔体为芳纶材料,以2kg/顶计算,预计对位芳纶需求约700吨。

此外对位芳纶制成的复合材料具有优异的轻量化效果及防弹等性能,在武器装备等领域的应用也将逐渐提升。过去很长一段时间西方国家一直将对位芳纶作为战略物资管制对我国禁运,而我国产量寥寥,原料受制于人导致我国难以在国防军工领域大规模应用,随着国产化进程的加快,国防军工应用有望快速增长。

对位芳纶的民用市场

民用市场领域,对位芳纶在信息通信(光纤保护增强);对位芳纶在汽车工业的应用包括刹车片、轮胎增强、汽车胶管等。

对位芳纶高强度和高模量、较低的密度和耐蠕变性等特点使其常被用作支撑光纤、电缆的增强材料,用来保护光导纤维及电缆导芯因过载引起的轴向应变。纤维的不可燃性,在电缆使用中也起到一定的防火保护作用。因此对位芳纶纤维广泛应用于室内外光纤和电力缆的增强件,对推动我国新一代通信技术的发展起到重要作用。

2012年7月,我国将宽带升级工程上升为国家战略,即“宽带中国”战略,随后几年,我国新建光缆长度和光缆产量快速增长,带动对位芳纶需求。近几年随着宽带入户的普及以及4G建设大潮的退却,我国光缆产量和新建长度有所放缓。目前国内光纤保护增强用对位芳纶消费量约4-5千吨,国内企业供应量近约6-7百吨,存量替代空间在3000吨以上。而2019年作为5G元年,未来5G建设资本开支将逐步加大,预计将重新带动光缆需求增长,光纤增强保护用对位芳纶消费量也将进一步提升。

对位芳纶还适用于作为轮胎子午线及其它橡胶制品的增强。芳纶增强轮胎具有较高的行驶速度、操控性和舒适性,还能降低车身重量,减少滚动摩擦和行驶中的噪声,降低“面外弯曲刚度”,减少滚动摩擦,降低燃油消耗,具有节能、低噪音、长寿命的特性。目前固特异、米其林、倍耐力、普利司通等国际轮胎厂商已商业化应用对位芳纶增强轮胎配套各类高端车型。国内万力轮胎、青岛森麒麟和双星轮胎等开展了对位芳纶增强乘用胎的研发,玲珑轮胎、三角轮胎和双钱轮胎则开展了对位芳纶增强载重子午胎的研发和生产。此外采用针织(或编织)工艺将对位芳纶捻线加工成网格布,再与橡胶复合,现已广泛应用于汽车胶管,如冷却水管、燃油管、制动管,尤其是涡轮增压管。国内汽车胶管代表性企业有美晨生态、安徽中鼎、天津鹏翎、浙江峻和等,芳纶胶管已为大众、通用、奇瑞等主车厂配套。

六、我国对位芳纶产业发展建议

1. 建立对位芳纶标准及评价体系

建立适合我国对位芳纶实际情况的标准体系和评价体系,制定技术指标适度的标准,满足引领市场需求,适合生产、使用、研究及下游用户的使用。加大团体标准的制定力度,填补对位芳纶国家标准行业标准中的空白,并适时制定一定超前的战略性关键技术指引,引领我国对位芳纶产业的良性发展。

2. 建立产业链合作开发机制

创新对位芳纶基础研究、关键工程技术研究和应用研究的研发体系,在适合的特色学校,建立相关专业和研究项目,培养多学科交叉轻量化人才,支持培养一批学术带头人和工程技术带头人。

协调产业链上下游企业,开发适应对位芳纶性能的下游符合材料制品,利用示范工程建立产业链关键技术和生产能力,使产业链各企业形成规模效益,提高品种,降低成本,提高竞争力。

3. 发展差异化对位芳纶产品

当前国际上对位芳纶的发展特点是以技术先进性推进应用产品升级换代,如杜邦开发了一系列对位芳纶新品种,如超高强型、超高模量型、中等模量型、高粘结型、抗疲劳型等,相对于国外纤维的产品来说,国内纤维的种类牌号较少。对位芳纶的市场也受到碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维等高性能纤维的影响。这些纤维在近五年间也取得突破性进展,工艺技术水平持续提高,纤维性能逐步提升,产品结构更加丰富,部分产品成本有所下降,下游应用领域不断拓展,这些高性能纤维会在特定领域对对位芳纶产品形成影响。

4. 培育龙头企业, 参与国际竞争

发挥中国化纤产业基础水平高和市场容量大的优势,集中培育万吨级对位芳纶及其应用规模化企业,争取在国际上建立规模化的对位芳纶与复合材料新型战略产业,集中提高产业链的企业规模,推广到其他制造业,集中提高产业链的企业规模,形成规模效益,降低成本,提高竞争力,参与国际竞争。

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