高科技纤维无处不在yd18508

罗益锋全国新材料技术协会会长、全国特种合成纤维信息中心主任

原载：中国战略新兴产业 2014/03/01

【前言】君欲行其事，必先利其器。作为七大战略性新兴产业的“排头兵”，新材料的发展已成为衡量一个国家经济社会发展、科技进步和国家安全的重要标志。在种类繁多的新材料中，高科技纤维异军突起，是新材料的中坚力量。在范围很广的战略性新兴产业中，高科技纤维究竟发挥了何种作用呢？不妨随专家一起条分缕析。

【关键词】高科技纤维新材料新能源新装备环保产业信息技术生物科学

高科技纤维又称特种纤维，按性能和功能划分，包括耐高温、抗燃、耐强腐蚀性、高强高模、功能纤维与智能纤维，根据所使用的材料不同，细分品种约有近300 种。这些纤维是支撑七大战略性新兴产业发展的关键材料，对诸多传统产业的更新换代和产业升级以及国防的现代化有重大意义。

1、应用舞台之一：新材料

高性能纤维中的碳纤维（CF）、芳酰胺（AR）纤维、超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）纤维以及功能纤维中的中空纤维分离膜、光导纤维、纳米纤维和碳纳米管等，都是我国和发达国家重点研究和发展的新材料。特别是碳纤维堪称是新材料之王，其复合材料已广泛应用于国民经济和国防工业的各个领域，是几代国家领导人十分关注的重要新材料。目前，我国已可批量生产国外对华封锁的T700 和T800 等级的产品，预期2014 年可小批量供应T1000 和M55J 的高强高模碳纤维。到2012 年底，全国拥有了33 家产能从20-5000 吨/ 年的生产厂家，设计总产能约22500 吨/ 年，产量3000 多吨。

到2015 年，我国有望配齐所需的至少25 种高性能纤维基本品种和约25 类功能纤维。2013 年6 家对位芳酰胺（PPTA）纤维总产能已达到3900 吨/ 年，产量预期不到500 吨，与国外差距较大；间位芳酰胺纤维（PMIA）生产厂家有4 家，总产能1.35 万吨，其中烟台泰和新材料有限公司的产能已达7500 吨/ 年，居世界第二位；超高相对分子质量聚乙烯纤维有30 余家，基本具备国际竞争力；玄武岩纤维有20 余家，总产能和产量均居世界首位，但高端产品不及国外；聚苯硫醚（PPS）纤维有2-3 家，总产能约3.5 万吨/ 年，居世界首位，但产品质量不及国外，目前还大量进口日本产品；光导纤维无论是石英系或塑料系都取得了长足的进步，并出口国外；中空纤维超滤膜元件生产企业约有40-50 家，主要是超滤（UF）膜，还有微滤（MF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）和透析（DA）膜等，以国产为主，也有合资或国外独资企业，其中海水淡化用RO 膜元件我国尚未过关。到2020 年我国将发展成为世界高科技纤维的强国。

君欲行其事，必先利其器。作为七大战略性新兴产业的“排头兵”，新材料的发展已成为衡量一个国家经济社会发展、科技进步和国家安全的重要标志。在种类繁多的新材料中，高科技纤维异军突起，是新材料的中坚力量。在范围很广的战略性新兴产业中，高科技纤维究竟发挥了何种作用呢？不妨随专家一起条分缕析。

2、应用舞台之二：新能源

2-1 风力发电和潮力发电设备

全球风电叶片的发展趋势是朝大型化、高效化和长寿命的方向发展，特别是海上风电装置，包括深海浮动式装置。这些叶片都须采用碳纤维增强塑料（CFRP）或至少主梁是CFRP 而其他部分为玻纤增强塑料（GFRP）。如50m 长的中型叶片，若采用CFRP 发电量为4MW，若采用GFRP 只有2-2.5MW，前者一次投入较大，但寿命长。随着叶片的大型化和塔柱的升高，后者也越来越多选用CFRP，特别是海上风电塔柱。

潮力发电是今后的重要发展趋势和CFRP 的新市场，其能量转变效率40% 以上，而陆上和海上风电为20%-25%。2008 年北爱尔兰首先投产1.2MW 的潮力发电设备。

2-2 太阳能电池

我国太阳能产业已成为世界的“ 老大”，预期到2020 年光伏装机容量将达到30GW，10 年内将增长600倍，而且朝大型化的方向发展。国外大型太阳能硅片板的框架逐渐采用CFRP 材料，以实现轻量化和长寿命。另外制造光伏产业的核心部件硅片的原料多晶硅和单晶硅，其高温炉保温材料全选用沥青基碳纤维的针刺毡，还有碳纤维增强碳复合材料（C/C）发热体及坩埚，在我国的需要量各为100 吨/ 年和500 吨/ 年，预期到2015 年将增至500 吨/ 年和1000 吨/ 年以上。切硅片用的细直径不锈钢丝在我国已大规模产业化。

2-3 核能

随着陆地铀矿的逐步消耗，人们正加大力度开发海水提铀的技术，其中最有效的手段是选用球状离子交换纤维或金属络合纤维来浓缩极稀浓度的络合物，而分离U235和U238 的有效途径是采用CFRP 高速离心转筒。

新一代核电站的燃料棒和挡板，已逐步采用碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（SiC/SiC），其抗核辐射性极好，而处理含放射性的冷却水也采用离子交换纤维，处理后回用。此外，有些关键部件采用CFRP 等。

核电站的防护服可选用间位芳酰胺、聚酰亚胺（PIM）或聚苯并咪唑（PBI）纤维。根据日本福岛核电站核泄漏事故的教训，今后核电站的防护墙应采用短切碳纤维增强混凝土，增强抗震能力和解决高精变防水问题。而应急的工作服采用了含异形钨粉的芳酰胺（PMIA）纤维，抗放射性极好。此外，核潜艇的军服采用水溶性纤维。

2-4 新型高效电池与储能

新型电池在电动汽车、自行车、电动工具、小型电子产品、储能、备用电源、通讯和国防军工领域的需求量越来越大。为了提高电化学反应效率，减少体积和质量，近年来锂离子电池、锌空气电池、钒化物空气电池、锂空气电池等新型电池的研发方向，都采用多微孔、耐高温、绝缘性和耐腐蚀性好的中空纤维膜及环绕它的电极材料和催化剂，来取代传统的平板式隔膜及其板状或棒状电极，而且逐渐实用化，并即将带来电池产业的革命性变革，特别是固体钒动力电池，它无需充电、能量密度极高、反应产物可循环再生反复使用，不存在废弃物的处置问题，安全可靠而且体积越小，重量越轻，能量密度越高，因此具有广阔的应用前景。

在新型储能领域，美国发展了短期大型高速飞轮储能装置，其飞轮便采用轻量而耐高速离心力的CFRP 材料，在真空状态下的转速可达到30 万转/min 以上。

3、应用舞台之三：节能、环保汽车

我国已成为世界最大的汽车生产国和消费国，为解决环保、雾霾天气和节能问题，除发展电动汽车外，汽车的轻量化、节能化和环保化已刻不容缓。美、欧洲多国、日政府为达到上述目标，采用分两阶段实施节能减排的法规方案，美国规定到2017 年新出厂的轿车或输入美国的汽车，必须达到每消耗1L 汽油能行驶15.3km 的标准，欧盟和日本规定了更严厉的法规，为此迫使各大汽车厂家采用CFRP 来取代金属结构材料，使整车减重50%-60% 方能达标，但要采用CFRP 须解决CFRP 部件的快速成型工艺技术和降低碳纤维的成本。前者主要靠汽车公司与碳纤维厂家协作，都可达到要求，如东邦Tenax、东丽和三菱丽阳公司的CFRTP（碳纤维增强热塑性树脂）的成型时间，各达到了1、3 和5min。至于降低生产成本，目前主要选用大丝束PAN-CF，其价格比小丝束低40%，并应用于跑车和高档轿车，如ZOLTEK（已被东丽兼并）和三菱丽阳的P330 大丝束PAN-CF。为了能普及应用于汽车上，美国橡树岭国家实验室正研发低成本的聚乙烯和木质素基的碳纤维，得到了美国能源部3470 万美元的资金支持，并与几十家汽车等公司结成合作联盟，推进在汽车领域的普及应用。

据调查，汽车每减重10%，可降低油耗6%-8%。若减重20%-30%，每辆车每年可减少排放0.5 吨CO2，预期今后每辆车在寿命周期内可减排50 吨CO2。在同样的电池容量下，若电动汽车减重33%，可延长续驶距离约33%。为此，所有汽车生产厂家都在研发并推出CFRP 车辆，俄罗斯圣彼得堡汽车厂则生产采用玄武岩纤维增强塑料（BFRP）作结构材料和零部件的汽油和天然气混合动力车，计划最终达到4 万辆/ 年，而零部件达到5 万套/ 年。另外，汽车子午胎、高压软管和同步带也逐步扩大了PPTA 纤维的使用量，刹车片也越来越多采用PPTA 浆粕或碳纤维，冬季雪天的轮胎防滑链，开始采用UHMWPE纤维制的套链，该套链止滑效果、耐磨性和抗超低温性优良，不会生锈。在防弹车体和车门方面，主要选用PPTA或UHMWPE 纤维的增强塑料；在高档吸音材料方面，可选用PPTA、玄武岩或碳纤维的针刺毡，可根据不同部位制成各种复杂形状，而汽车内装饰材料，多家汽车公司采用了生物质的聚乳酸、聚对苯二甲酸丙二酯、尼龙56 等可再生和环保型纺织品；在车载通讯及光显示系统的配线方面，采用塑料光纤取代铜线后，可减重20%。此外，在北美和东南亚等地，车用压缩天然气瓶和燃料电池用高压氢气瓶的需求量猛增，大都采用CFRP 材料。

4、应用舞台之四：新一代信息技术

2003 年建成的横跨大西洋、穿越地中海、经红海和印度洋进入太平洋的全球海底光缆，得到了包括我国在内的30 个国际通信组织的支持。全程32 万km，连接175个国家和地区，能同时使用240 万部电话或同时输送几十万幅压缩画面，这是人类通信领域最宏伟的工程。所用光缆的核心是石英光纤和环绕它的PPTA 纤维张力元件。不久第二条全球海底光缆也即将动工，使全球信息网络更加畅通和便捷。

30 年来，石英光纤的通信距离提高了2 倍，容量增加了100 倍，超宽带的光信号传输长达10km 以上。最近，武汉邮电科学研究院在30.7Tb/S 相关OFDM 传输系统中，首次达到单光源1.92Tb/S，光源数为C 波段16 的世界最高水平，可以让11 亿人在一根光纤中同时通话，到2014年将发展到12.5 亿人同时通话。日本古河电气工业公司开发了一根光纤中有7 个芯的新品种，每个芯理论上可传输100km 以上的超宽带信号，从而获得相当于以往光纤100 倍的传输容量。今后石英光纤市场将以每年1 亿-2亿km 的速度增长。

塑料光纤（POF）的数据传输速度，现已达10GB/S，反复抗弯曲能力由1000 次提高至10 万次，美国波斯顿光纤公司研发的POF 信号传速比铜线快30 倍。日本旭哨子公司开发了大容量、超快速和超宽带的POF。

我国工信部等七部委于2010 年3 月17 日联合发布了《关于推进光纤宽带网络建设的意见》，三年内已投入1500 亿元以上，为此2011 年起东方光大集团共投入35亿元在海南成立塑料光纤生产基地，于2012 年底建成20条POF 生产线，并计划在2014 年6 月再建成40 条POF生产线。今后可生产通信级POF120 万芯公里，网络器件120 万套，产值预计达135 亿元。

在卫星通信领域，人造卫星太阳能板是用高模量CFRP 制的，未来可望使用的“空中飞龙”，可代替卫星进行通信和导航等，其骨架均采用CFRP，成本只有人造卫星的1/50。

5、应用舞台之五：生物医学

首先是人体医学，人工肾、人工肝、人工脾、人工肺、导尿管、人造血管等，都是由中空纤维膜制作，已被多年的临床应用证明是安全有效的，而且膜材质以聚砜、聚偏氟乙烯和聚丙烯为主，呈现多样化的趋势。心脏隔膜由聚酯、聚四氟乙烯等织物制成，人工骨、关节、假肢等由CFRP 制成，而腱和假眼填充物等是碳纤维制成的，人造皮肤、肌肉也都是碳纤维制品。

医院用品更是五花八门，小到吸收性手术缝合线、止血和消菌伤口贴、防菌透气手术罩布、急救用富氧气瓶等，大到X 光和CT 床板、病人和残疾人用轮椅、拐杖等，都是CFRP 材料做的。此外，还有腹水处理、血球分离、血液过滤元件等，都是中空纤维制的。

静电纺丝法的出现，开发了以往纺丝法所难以纺丝的各种有机、无机物和天然植物，如杜仲等新纤维，而且可直接制得纳米非织造布、中空纤维、复合纤维等，从而开辟了广阔的应用领域，如生物芯片、生物传感器、生物过滤器、微生物固定载体、皮肤代用膜、抗粘合膜、皮肤治疗、创伤包带、皮肤清洁膜、传递药物及遗传因子材料、骨骼和心肌再生支架、再生医疗用细胞培养基材。此外，利用纳米纤维或碳纳米管（CNT），可用于快速准确测定人的DNA，对侦破刑事案件起到了重要作用。

活性炭纤维，因它无刺激性、抗过敏反应、毒性和致癌性，无明显破坏血球，因此除用于医用擦拭材料、伤口和烧伤敷料、防菌口罩和防护布外，已用于人造脏器、处理外来和内源毒素的肠道吸附剂，吸附血液、淋巴、血浆和溶剂，及血液的消毒等。

6、应用舞台之六：高端装备装备造业

6-1 大型飞机与客机

自上世纪90 年代波音和空客飞机所使用的碳纤维预浸料以来，碳纤维材料的使用比例呈逐年递增趋势，其中B-787中型客机每架使用碳纤维约27 吨，CFRP35 吨，而2014 年将投入商业运行的A-350XWB，每架飞机所使用的CFRP已超过50%。我国正在研发的C919 飞机，将使用约10%-15% 的碳纤维。

6-2 航天工程

神舟飞船、天宫宇航站、火箭和导弹发动机壳体等，都采用CFRP、PPTA 纤维、芳纶Ⅲ及各种碳化硅纤维的复合材料，而航天服则由多种纤维制成，包括耐热抗燃的PMIA 纤维、抗辐射的聚酰亚胺纤维、防静电的超细不锈钢丝等。高压容器采用PPTA 纤维树脂缠绕气瓶，返回舱所用的高强、超轻大型降落伞用UHMWPE 纤维制得。

6-3 高速列车

我国自2011 至2013 年间投入了9000 亿元资金建设高铁，其中车头的流线型抛物面可选用防雷击、抗冲击、长寿命的CFRP 或PPTA 纤维复合材料，车厢需采用PMIA 纤维阻燃隔热毡和蜂窝结构材料的CFRP 夹心结构材料，转向架和齿轮变速箱若采用CFRP，会比钢制品各减重1 吨和79 千克，每辆机车装有6 个变速箱，共可减重474 千克。今后覆盖车轮的罩子、裙板、窗框和导电弓架周边的绝缘子，都可望选用CFRP。今后我国货车也将提速和要求轻量化，首先车门可望采用CFRP（或玄武岩增强塑料）的蜂窝夹芯结构，比钢制车门轻860 千克，对15 节货车而言可多装109 吨货物。欧盟认为聚醚酰亚胺（PEI）纤维是最理想的抗燃材料，用于制定高铁和飞机的内装饰，而桌椅则可由碳纤维增强PEI 制成。

6-4 海上油田平台

我国“十二五”期间将建造“海上大庆油田”，而且在逐步往深海发展，其中支撑平台的缆绳用PPTA 纤维或CFRP，柔性抽油杆、立管、连接管、浮力提升器组件等须用CFRP，平台二次结构材料包括格栅框架、扶梯、辅助平台、电缆托盘、电缆桥架等，采用碳纤维和玻纤混杂结构材料。对1000米深的海上石油钻井平台，约需上千吨的碳纤维材料。

7、应用舞台之七：环保产业

7-1 污水处理

我国有1.8×104km 的海岸线，还有众多的河湖，但大都有不同程度的污染。在全国668 座城市中，约有400 多座城市处于缺水状态，我国被联合国列入世界最贫水的13 个国家之一。

“十二五”期间我国将投入2190 亿美元左右用于环保和污水治理，最有效处理工业废水和生活废水的途径是采用中空纤维超滤（UF）膜和反渗透（RO）膜的活性污泥法（MBR），它还可用于处理电镀废水、涂料废水回收利用、电子工业废水回收有机碱等。我国先后引进了日本旭化成和三菱丽阳等公司的技术，其中北京碧水源科技公司与三菱丽阳合资生产聚偏氟乙烯中空纤维UF 膜，并发展MBR 技术。2012 年起，我国已强制执行《饮用水卫生标准》，有95%的旧水厂面临升级改造，因此推动了MBR 技术及中空纤维膜净水器的发展，其中海南立昇公司生产了独自开发的聚氯乙烯合金中空纤维净水器，产品不仅在国内使用，还远销40 多个国家和地区，因此产能已扩大至年产1000 万m3 UF膜和25 万净水器组件。

活性炭纤维是一种被广泛使用的水净化和空气净化材料，安徽佳力奇碳纤维有限公司是全国最大粘胶系ACF 生产厂，产能300 吨/ 年，可处理大流量、稀浓度的污染水，已用于家庭净水器、除臭剂和回收空气中的挥发性有机溶剂。吸油纤维及非织造布，用于处理和回收油轮泄漏到海中的浮油或工厂含油废水，而离子交换纤维可用于处理核电站的循环冷却水、超纯水制备和家庭净水器滤材等。

日本在利用碳纤维进行水环境治理方面取得了实效，包括清除海面上的赤潮、湖面的蓝藻和江河的菌类污染以及印染废水、牛奶废液、金属洗涤水、胶状污泥、砖厂红水等的处理，并随之促进了渔业资源的发展，即利用碳纤维吸引鱼类、贝类、虾蟹等繁殖水产品。

7-2 大气污染防治

当前困扰我国东部城市的雾霾天气，是各级政府首要解决的大问题。究其根源不外是城市汽车排放的尾气，在北京交通排放约占大气污染的50%，而电厂、钢厂、水泥厂、垃圾焚烧厂的排放物，也是构成产生PM2.5 微粒的源头。目前，我国只有10% 左右的电厂采用10 种不同的耐高温碳纤维制的针刺毡滤袋，其过滤效率为99.5%，而其余多采用静电除尘，效率只有97% 左右。对汽车尾气治理，国外采用载有催化剂的碳化硅纤维、氧化铝纤维或纳米纤维进行净化处理后排放，可完全达标，当然发展电动汽车特别是非充电式的电动汽车，如采用固体钒动力电池可实现零排放。

7-3 固体废弃物处理

现国内外均重视发展生物质和微生物自降解纤维及其纺织品，最具代表性的是聚乳酸（PLA）纤维及其服装、内装饰材料和钓鱼丝等。许多国外汽车公司如丰田等，已将它用于汽车椅套等，其废弃物在土壤中会产生自降解，而对土地无污染。

7-4 噪音防治污染

防噪音材料是由吸音或隔音纤维的针刺毡组成，根据不同的用途，其所用纤维呈现多样化的趋势，从低性能的廉价聚丙烯纤维到高档的PPTA、玄武岩或碳纤维针刺毡等均有。主要用于飞机、火箭发射场、高档汽车、重噪音工厂等。除了与七大战略性新兴产业直接相关外，高科技纤维还广泛应用于体育休闲用品、新型建材、建筑结构物补强和修补材料、高压输电线的芯材、防弹材料、消防战斗服、易燃易爆工厂工作服、油田抽油杆、云梯、吊车长臂、机械部件和国防军工等诸多领域，为此我国应继续重视高科技纤维的研发、产业化和市场开拓，为全面实现现代化作出贡献。

（作者系全国新材料技术协会会长、全国特种合成纤

维信息中心主任）