干货！我国21种先进纤维材料产业现状、面临挑战及未来发展建议

互推小编 2024-01-04

我国是全球化学纤维产业链最为完整、品种丰富、规模最大、产业配套最齐全的生产国、消费国和出口国。我国化学纤维产业的快速发展始于20世纪末期，随着聚酯纤维国产化技术与装备的不断突破，生产成本显著降低，产能高速增长，2019年我国化学纤维产量约为5.95×107t，约占全球化学纤维总产量的80%。纤维材料产品除应用于传统的纺织服装、家居等消费品领域外，还广泛应用于交通运输、环境保护、安全防护、土工建筑、医疗卫生、航空、航天、国防军工等领域。目前国内先进纤维材料主要指差别化功能纤维、高性能纤维、先进生物基纤维以及先进陶瓷纤维。本文将围绕这四种纤维，分析我国先进纤维材料产业的发展现状及面临的问题，为今后产业发展提出参考性建议。

一我国常见的先进纤维材料分类

（一）差别化功能纤维

差别化是一个总体概念，指在常规纤维现有的性能之外，再附加上某些特殊功能的纤维。在聚酯纤维、聚酰胺纤维、再生纤维素纤维、聚丙烯腈纤维等常规化学纤维制备过程中，通过综合运用分子改性、功能组分添加、特种纺丝成形以及纤维后处理等一种或几种方式制备而成。与常规化学纤维相比，这类纤维可以显著改善或增加纤维的性能和功能。如原液着色纤维、阳离子染料可染涤纶、超仿真纤维、抑菌纤维、阻燃纤维、远红外纤维、石墨烯改性纤维、抗静电纤维、抗紫外线纤维、电磁屏蔽纤维、负离子纤维等等。

异形纤维：异形纤维即纤维的截面呈非圆形，主要有三叶形、五叶形、矩形和扁平、中空等形状，它由喷丝孔异形法、膨化粘结法、复合纺丝法、轧制法和孔形变化等办法获得，异形纤维具有特殊的光泽和良好的耐污性能，有良好的蓬松和透气性能，有抗起球性和耐磨性能，良好的抗静电性能和吸湿性能，并有良好的染色性能。
复合纤维：即将几种性能不同的材料复合成一种新颖的纤维，它有共纺型、并列型、皮芯型、分裂型和多层型(并列多层、放射多层、中空放射、多芯型和多层型)和海岛型。复合纤维的最大特点是将各种纤维的特性集中在一起，从而使新的纤维具有各种纤维的共同特点。
细旦丝和超细旦丝：即纤维中的单丝极细的纤维，由于纤维的弯曲刚度和纤维的纤度平方成正比，因而细旦和超细旦纤维的手感柔软，经磨毛后的织物具有细腻、柔糯的茸毛感，可以获得十分理想的桃皮绒和麂皮绒。
纳米纤维：通常把纤维的直径小于100nm的纤维称为纳米纤维，它有较好的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子的隧道效应，因而纤维有吸收紫外线、屏蔽电磁波等性能。
高收缩纤维：合成纤维的短纤维沸水收缩率不超过5%，长丝为7%-9%，把沸水收缩率大于35%的纤维称高收缩纤维，它是由降低纤维的初始结品度，增加纤维的无定形区而获得，它与普通纤维混纺、交织的织物，经沸水处理，因纤维的收缩率不同而形成立体或蓬松的花纹图案，并获得保形性极好的高花织物和泡泡纱织物，织物手感柔软，质轻蓬松，保暖性能极好。

（二）高性能纤维

当前我国高性能纤维领域发展的重点主要有碳纤维、PAN预氧丝、芳纶、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维、聚酰亚胺（PI）纤维和聚苯硫醚（PPS）纤维等。

碳纤维：由碳元素组成的一种特种纤维。目前工业化生产的有黏胶基碳纤维，沥青基碳纤维，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，聚丙烯腈基碳纤维是主流工艺，国内碳纤维基本上都是PAN基。碳纤维具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等复合，制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，具有特别高的强度及比模量。
PAN预氧丝：PAN预氧丝是制备碳纤维过程中重要的中间产品，作为一种阻燃材料，预氧丝具有碳纤维产品的诸多优点，且成本比碳纤维低。PAN基预氧丝不仅具有优良的阻燃、耐热性能，而且纤维的耐化学试剂性能也优于一般的合成纤维。PAN基预氧丝是随着碳纤维的发展而兴起的一种新型耐热耐焰材料，在隔热、防火、阻燃等领域具有广泛的应用价值，并且具有无机耐火耐焰材料所不具备的纺织加工性能和服用性能，又无石棉对人体的危害作用。PAN基预氧丝可用作建筑保温材料、管道保温材料及高温炉保温材料，防火服及阻燃装饰材料，隔音材料等，经济效益和社会效益显著，已成为一个独立的材料品种投放市场，且需求量日益增长，具有良好的市场前景。
芳纶：“芳纶”一词是“聚芳酰胺”的简称。聚芳酰胺最初于二十世纪六十年代初期在商业上用作间位芳纶纤维，而对位芳纶诞生于二十世纪六七十年代。芳纶具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶纤维也是重要的国防军工材料，为了适应现代战争的需要，美、英等发达国家的防弹衣均为芳纶材质，芳纶防弹衣、头盔的轻量化，有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。目前国产芳纶纤维主要用于高温过滤、防护、密封等材料中。
超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE纤维）：又称高强高模聚乙烯纤维，其分子量在100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。其比强度是同等截面钢丝的十多倍，比模量仅次于特级碳纤维，冲击吸收能比对位芳酰胺纤维高近一倍，耐磨性好，摩擦系数小。由于超高分子量聚乙烯纤维具有众多的优异特性，它在高性能纤维市场上，包括从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大的优势，在现代化战争和航空、航天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。它具有轻柔的优点，防弹效果优于芳纶，现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。
聚酰亚胺纤维：由均苯四酸二酐和芳香族二胺聚合得到聚酰胺酸预聚体，再通过熔液纺丝而制得的高性能纤维。聚酰亚胺纤维与高强高模聚乙烯、聚苯硫醚等高性能纤维相比，具有更广的耐温性（-267-550℃）；与芳纶相比，耐热等级更高，阻燃更好，耐候性更佳。同时还具有独特的纺织加工和人体亲和性等综合特性。聚酰亚胺纤维拥有良好的可纺性，可以制成各类特殊场合使用的纺织品。由于具有耐高低温特性、阻燃性，不熔滴，离火自熄以及极佳的隔温性，聚酰亚胺纤维隔热防护服穿着舒适，皮肤适应性好，永久阻燃，而且尺寸稳定、安全性好、使用寿命长，和其他纤维相比，由于材料本身的导热系数低，也是绝佳的隔温材料。
聚苯硫醚纤维（polyphenylenesulfide fibre）：又称PPS纤维。由聚苯硫醚经熔融纺丝制得。PPS纤维具有良好的耐热性，主要用作高温过滤织物，耐受温度可达190℃。该纤维还具有优良的耐化学试剂和水解性，以及阻燃性能。聚苯硫醚纤维具有优良的纺织加工性能。其强度、伸长与棉纤维相近．但模量较低，吸湿率也较低。可用作阻燃织物、家庭装饰织物、烟道气过滤材料等。袋式除尘技术的快速发展带动了国内纤维级PPS树脂生产企业的发展。国内PPS纤维主要应用在滤料行业。

（三）先进生物基纤维

生物基纤维指以生物质为原料，或含有生物质来源的单体、以生物技术制备的单体的聚合物纤维，如海藻纤维、甲壳素纤维、PLA纤维、细菌纤维等。

海藻酸纤维：采用天然海藻提取物纺丝加工而成，是从海洋藻类植物中提取得到的海藻酸钠为原料经纺丝制得的生物基纤维。海藻纤维包含海藻酸盐纤维和海藻酸纤维，经海藻酸钠与氢离子发生反应制得的纤维为海藻酸纤维，现在海藻纤维通常指的是海藻酸钙纤维。海藻纤维具有良好的生物相容性、可降解吸收性，优良的阻燃、杀菌、电磁波屏蔽等性能。海藻纤维回潮率能达到18%-20%，所以穿着具有良好的肤感。
甲壳素纤维：甲壳素存在于虾、蟹、昆虫等甲壳动物的壳内和蘑菇等菌类的细胞膜内，是一种动物纤维素。甲壳素纤维呈碱性和高度的化学活性，从而具有良好的吸附、黏结、杀菌和透气等优良性能。用甲壳素纤维制成的纺织品可以防治皮肤病，并能抗菌、防臭、吸汗保湿。用甲壳素纤维制成的医用缝线可自行被人体吸收。用甲壳素纤维制成的医用敷料可以促使肉芽新生，临床上具有镇痛、止血和治愈效果。
聚乳酸(PLA)纤维：是使用如玉米、木薯等植物所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性。该纤维强度高、延伸度较大，亲水性好，悬垂性、舒适性和手感好，有吸排汗和抗紫外线的功能。
细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）：是指在不同条件下，由醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）等中的某种微生物合成的纤维素的统称。它具有精细的网络结构、较高的机械强度、较高的吸水和保水性能、良好的生物相容性和生物降解性等许多独特的性质。具有良好的亲水性和透气性，细菌纤维素内部存在大量的亲水性基团，可以很好地透水及透气。细菌纤维素用于研究人造皮肤，也是一种优异的面膜布材料。细菌纤维素是当今国际生物材料研究的热点之一。

（四）先进陶瓷纤维

传统意义上的陶瓷纤维又称硅酸铝纤维，其主要成分为SiO₂ 、Al₂O₃, 这两种成份是制备传统瓷器的主要成份，所以被称作陶瓷纤维；目前对陶瓷纤维的定义更为宽泛，主成分为陶瓷材料的纤维都被称之为陶瓷纤维或特种陶瓷纤维，例如：石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维、硅硼氮纤维、硅硼碳氮纤维、氧化锆纤维等。

石英纤维：以石英玻璃为原料，首先制成石英玻璃棒再经高温熔融拉丝或喷吹制成。具有耐高温、耐腐蚀、低膨胀以及优异的介电性能，广泛应用于航空航天、半导体、高温隔热、高温过滤等领域。石英纤维具有优异的耐高温、耐腐蚀、低膨胀以及介电性能，产品在军事及民用市场得以广泛应用。
氮化硅纤维：指纤维结构中主要含Si、N 两种元素的纤维，它是在碳化硅纤维的基础上发展起来的另一种陶瓷纤维。氮化硅纤维在常温与高温下均具有良好的力学性能、有较低的介电常数、介电损耗与较高的电磁波透过率，是良好的耐高温透波材料。氮化硅纤维具有优异的耐高温性能，最高使用最高温度在1400℃。主要用于金属基、陶瓷基复合材料的增强材料和耐高温功能材料。氮化硅陶瓷具有优异的耐高温抗氧化性能，同时具有低的介电常数和高的电阻率，是高温环境下电磁波透过和绝缘的优选材料。
氮化硼纤维：一种质地柔软、白色、多晶的陶瓷纤维材料，具有类似于石墨的层状晶体结构，又称“白石墨”，具有耐高温、耐化学腐蚀、介电性能优异、吸收中子的特点。氮化硼纤维具有耐高温、耐化学腐蚀、介电性能优异、吸收中子优异的综合性能，在航空、航天、新能源及核工业等高端技术领域有着极为广阔的应用前景，是新型武器重点型号、重点经济发展领域具有广泛应用前景的军民两用关键原材料。目前国内山东工陶院开发的BN纤维的制品有氮化硼连续纤维、氮化硼短纤维、氮化硼纤维布、氮化硼纤维毡。利用这些制品制备的烧蚀防护材料、抗中子-电子和γ射线绝缘介质材料、耐热和隔热材料、高温过滤材料、电器绝缘材料和纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、核工业、军工及新能源行业。
硅硼氮纤维：连续SiBN陶瓷纤维结合了Si3N4纤维和BN纤维的优点，具有轻质高强、高温抗烧蚀性、高温稳定性、高温抗氧化性能和高温抗蠕变性能等优良性能，是一种理想的陶瓷基透波复合材料的增强纤维。SiBNC陶瓷具有极其优异的耐高温、抗氧化和抗蠕变性能而备受关注，是一类新型陶瓷材料，成为近年来陶瓷材料领域新的研究热点。该纤维能够满足超高音速精确制导导弹天线罩对材料耐高温、承载、透波多功能的要求，有望成为新型高性能透波增强纤维。
碳化硅纤维：是多晶陶瓷纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化、抗蠕变、耐化学腐蚀、耐盐雾等优点，是高性能复合材料的理想增强剂，在航空航天、核工业等领域有着广泛的应用前景。碳化硅纤维由于自身的优异性能可用作高温耐热材料，树脂、金属、陶瓷基复合材料的增强材料等。较多应用于国防军工，主要包括：航空、航天等高技术领域，像先进战斗机、空天飞机、航空发动机、战术导弹和电子组件等，达到减重、提高工作温度、热膨胀系数匹配和提高热导率等目的。
氧化铝纤维：以金属氧化物粉末、无机盐、水、聚合物、粘胶丝或凝胶等为原料，制成水溶液、悬浊液、溶胶或其他一些有机溶液然后纺丝，也可以粘胶丝为载体纤维来制备。具有有优异的高温力学性能、好的抗化学侵蚀能力、低的导热率等特点，可应用于航空、航天、军工及高科技领域。氧化铝纤维用作金属基复合材料增强剂可使铝基复合材料减重10%～30% ，耐磨性提高5～10倍，高温强度提高100 %；用作陶瓷基复合材料增强剂可使复合材料减重10%～30%；韧性提高2～3倍。氧化铝陶瓷纤维以其极高的单丝抗拉强度，作为高性能复合材料补强剂应用于航空、航天及柴油动力机械领域，具有极强的生命力。

二我国先进纤维材料发展现状及问题

（一）差别化功能纤维

近年来，我国化学纤维生产产能持续快速扩张，产业结构性过剩问题凸显，常规化学纤维品种同质化竞争激烈、附加值低，因此，基于现有产能条件下的纤维差别化、功能化生产成为化学纤维产业结构调整和产业升级的关键。2017年，我国差别化功能纤维的产量约为1×107t，多为原液着色纤维、阳离子染料可染纤维、高性能聚酯与聚酰胺工业丝、低熔点复合短纤维等附加值相对较低的常规功能纤维品种，而以超仿真纤维、抑菌纤维、阻燃纤维、远红外纤维等为代表的高附加值功能纤维品种占比相对较低。差别化功能纤维生产工艺及技术还不够完善，产品品质不高，难以大批量用于高端面料和制品。

（二）高性能纤维

我国高性能纤维总体发展缓慢，基础研发投入力度不够，多数品种未形成规模化的生产能力，仍处于产业化的初级阶段，整体技术水平的差距较大。近年来虽然在一些高性能产品上有所突破：T-1000级碳纤维技术被攻克；间位芳纶产品技术已达到国际先进水平，竞争力有所提高；超高分子量聚乙烯纤维虽然产业化时间晚，但是发展速度很快，也成为生产大国，现已呈现贸易顺差，出口远大于进口；聚苯硫醚生产正处于快速增长期，研发力度大，已形成一定规模的生产能力，打破了完全依赖进口的状况。但是，由于巨大的市场需求，我国高性能纤维产量还是严重不足，需要进口；同时高性能纤维产品在生产工艺、产品质量、副产物回收再利用、低成本方面与世界先进水平还有一定差距，还需要加大研发投入，优化生产工艺，降低成本。

（三）先进生物基纤维

我国生物基纤维的发展基本处于起步阶段，在技术、装备、基础研究等方面与国外存在一定差距，尚未形成良性供应链体系。目前，生物基纤维生产成本高、产品市场竞争力弱，制约着产业的良性发展，特别是在当前低油价时代，无法形成与石油基纤维的竞争优势。生物基纤维及其原料需要的基因技术、工业微生物技术、生化技术基础薄弱，多数品种处于小试研究阶段，具有自主知识产权的原料品种少，纤维及原料制备难度大、成本高。

（四）先进陶瓷纤维

我国陶瓷纤维（包括氧化硅、硅酸铝、氧化铝基纤维等）的制备研究工作开始于 20世纪 60年代，比发达国家起步略晚。在国家项目支持下，我国相关企业在氧化铝前驱溶胶制备、可纺性调控、干法纺丝工艺、纤维结构表征与控制等方面积累了经验，目前已突破了氧化铝纤维前驱胶体批量制备、可纺性、连续纺丝、纤维热处理及烧结等关键技术，并自行设计建造了氧化铝纤维干法纺丝实验机，实现了φ60喷丝板 36孔 /0.08mm孔径下连续稳定纺丝及卷绕，制备得到直径10μm左右、单丝强度≥1.7GPa、断裂伸长率1%左右的莫来石纤维，但工程化关键技术尚未突破。

二我国先进纤维材料发展对策及建议

根据我国纤维产业发展的国内需求和国际竞争状况，针对先进纤维材料发展存在的突出问题，提出以下对策建议。

（一）加强产业发展战略研究

集聚科研、生产、规划研究、行业管理、金融投资等专业人才，建立一支结构合理、稳定的高水平产业发展战略研究队伍，针对先进化学纤维材料产业发展中的科技创新、产融结合、现代产业链和产业集群、产业转移与国际竞争等重要现实问题，开展持续、深入的系统研究，跟踪、评估发展状况和规划实施情况，及时调整、持续完善规划，为我国宏观决策，尤其是生产企业、金融投资机构、科学研究机构等决策提供可靠的指导。

（二）完善产业科技创新体系建设

按照“围绕产业链部署创新链、围绕创新链布局产业链”的总体要求，完善国家、各部委重点实验室的布局，发挥实验室之间的协同机制，部署纤维材料与工程的重大科学问题研究；加大政府资金支持力度，建立一支从事高水平基础研究的人才团队，产出一批原始创新成果；发挥政府的引导和政策保障作用，吸引风险基金、产业基金，提升工程研究中心中试研究、工程研究能力，优化创新成果转化机制，加快形成一批重大产业化技术成果；支持、鼓励产业技术创新战略联盟发挥在产业链协同创新上的重要作用，加快科技成果的市场应用；支持、鼓励中介服务机构不断提升服务能力和公信力，在标准研制，知识产权服务，科技成果评估、转化，品牌建设等方面发挥作用。

（三）加强科学技术对产业发展的支撑和引领作用

围绕产业基础高级化和产业链现代化全面部署创新链，重点在聚合物、纤维制造技术和装备领域，整合行业重点实验室、工程中心和骨干企业的科技资源，围绕重点品种开展“产学研”合作，确保重点品种具有自主知识产权和持续的技术迭代升级能力。围绕创新链布局产业链，推动化学纤维产业基金和风险投资，加大对原始创新纤维品种开发与应用的资金支持，占领科技制高点，培育优势产业。推动工程公司向解决方案服务商转型发展，通过提高工程公司的科技研发、工程转化等综合能力，创新经营模式，整合科技资源，构建全方位的产业链、供应链管理服务模式，建设高水平的科技服务型企业。

（四）支持骨干企业的国际化

发达国家的经验表明，大企业通过集聚“产学研”创新资源、扩张重点品种的产能规模、延伸产业链等，占据了国际竞争的优势地位。当前，我们一些企业已具备了产能、经营管理、“产学研”合作等基础条件，要积极支持此类企业延伸产业链、全球布局产能和创新资源、加大“产学研”合作，引导产业基金等社会资本投入，加快形成具有国际竞争优势的跨国企业，引领我国先进纤维材料的产业发展。

（五）材料、高端装备与智能制造的统筹发展

顺应先进纤维材料与智能制造技术融合的发展趋势，促进先进纤维材料与高端装备融合发展，突破关键技术与装备，推进国产装备与智能制造系统的应用，推动行业制造水平全面提升。加强智能化、差异化、功能化设备及高新性能纤维设备的原创研发能力，增强重大技术与成套装备研发和产业化能力，提升产品附加值，通过设备技术进步引领化学纤维产业的深度转型升级。加快突破化纤制造过程的数字化、智能化关键技术，扩大国产装备与智能制造系统在行业骨干企业中的应用，确保我国数据和产业安全，提升化学纤维产业的国际竞争力。

[注：本文部分图片来自互联网！未经授权，不得转载！每天跟着我们读更多的书]