超高分子量聚乙烯纤维的生产技术和市场分析

武红艳

(中国昆仑工程公司，北京100037)

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的高性能纤维，其特殊性能主要表现在:高比强度、高比模量、低纤维密度、低断裂伸长率、优良的抗冲击性和抗切割性、高耐磨性、耐化学腐蚀性，尤其是其强度相当于优质钢材的15倍左右，被广泛用于防弹衣、防刺服、头盔、防切割等安全防护用品，以及绳缆和渔网等水上结构材料、航天航空结构件、雷达罩等［1］，是重要的战略物资和高技术材料。

1 主要生产技术路线

自20世纪70年代起，国外许多企业、研究机构从事UHMWPE纤维的研究和开发工作，探索了多种技术路线，其中包括:凝胶纺丝-高倍热拉伸技术、熔融纺丝-高倍热拉伸技术、晶体表面生长技术、固体挤出技术等。目前世界上进入工业化生产阶段的UHMWPE纤维制造方法主要有熔融纺丝和凝胶纺丝。熔融纺丝-高倍热拉伸技术由美国Hoechst-Celanese公司在20世纪80年代后期取得成功，商品名称为Certran;意大利Snia公司随后也开发了类似的商品化纤维。但熔融法生产的UHMWPE纤维性能要低于凝胶纺丝的产品，近年来未得到更大的发展。凝胶纺丝-高倍热拉伸工艺是目前世界上最成功的UHMWPE纤维工业化生产方法，荷兰DSM公司、美国Honeywell公司和日本三井石化公司均采用凝胶纺丝工艺。

凝胶纺丝亦区分为两种不同的生产技术路线:一种是以DSM公司的Dyneema®为代表的高挥发性溶剂(十氢萘)干法凝胶纺丝工艺路线，简称干法路线;另一种是以Spectra®为代表的低挥发性溶剂(矿物油、白油等)湿法凝胶纺丝工艺路线，简称湿法路线。下面简单介绍主要的几种工艺技术路线［2］:

(1)荷兰DSM公司工艺路线。

此工艺路线是将UHMWPE树脂溶解在高挥发性的十氢萘溶剂中，形成质量分数小于10%的稀溶液或悬浮液，然后经喷丝板挤出至烟道内冷却，十氢萘气化逸出，得到干态凝胶原丝，再经高倍拉伸得到高性能UHMWPE纤维。该法选用的溶剂十氢萘对聚乙烯溶解效果好、易挥发，溶剂可直接回收而无需经过连续多级萃取剂萃取和热空气干燥流程，生产效率较高，操作条件温和，产品质量优良。但此法中十氢萘回收，降低生产成本是技术关键，我国尚未完全掌握，正在研发中。

(2)美国Honeywell公司工艺路线。

此工艺路线是将UHMWPE树脂在低挥发性溶剂矿物油中溶解或溶胀，再用双螺杆挤出机进行混炼和脱泡，经计量泵挤出，进入水浴(或水与乙二醇等的混合浴)凝固得到含低挥发性溶剂的湿态凝胶原丝，再用高挥发性的萃取剂(氟利昂或其他试剂)，经连续多级萃取，使凝胶原丝的低挥发性溶剂被置换出，得干态凝胶原丝，经高倍拉伸得高性能UHMWPE纤维。萃取剂、溶剂和水等混合物收集后送至精馏装置分离回收。本方法的溶剂矿物油来源丰富、价格低廉，但工艺流程较长，选用的萃取剂不符合环保要求，发展受限制。

(3)日本三井石化公司工艺路线。

此工艺路线是将UHMWPE树脂和石蜡按一定比例混合加入双螺杆挤出机，经熔融混合后从喷丝板挤出，在水槽中冷却凝固成凝胶原丝，再喂入盛有癸烷的萃取拉伸槽中进行萃取、热拉伸。此法纺丝浓度较高，可降低生产成本，但由于选用的聚乙烯相对分子质量较低，石蜡残留偏高，导致力学性能偏低。

干法凝胶纺丝工艺路线的纺丝速度可以远远高于湿法路线，溶剂可直接回收而不需要耗用大量的萃取剂和经历耗能的多道萃取、干燥以及大量混合试剂的精馏分离回收过程，从而降低了生产成本。而湿法凝胶纺丝工艺路线中目前使用挥发性和萃取性最好的萃取剂为氟里昂，因其对大气层有破坏作用而面临禁用的问题。干法路线中，十氢萘溶剂除刺激性(对皮肤、眼睛和呼吸道粘膜有刺激)外无其他毒性，其使用安全性与汽油、煤油、酒精(乙醇)等试剂相当，是一种理想的工业化试剂，能直接回收，易于达到环保标准要求。因此UHMWPE纤维的主要生产技术应为干法凝胶纺丝工艺路线。

2 国内外生产情况

1979年荷兰DSM公司采用凝胶纺丝方法纺制UHMWPE纤维获得成功，并申请了专利，先后在日本和荷兰建立生产线，推出商品名为Dyneema的UHMWPE纤维。近年来DSM公司的UHMWPE纤维一直保持快速增长的态势，2008年其位于欧洲和美国的工厂生产能力达到4.5 kt/a，与日本东洋纺公司合资的工厂生产能力达到1.6 kt/a;2010年DSM公司欧洲和美国工厂的UHMWPE纤维生产能力达到6.0 kt/a，日本合资工厂生产能力达到3.2 kt/a［4］，见表1。

表1 2011年国外主要UHMWPE纤维生产厂家及产品性能［3－4］Tab.1 Principal foreign producers and product properties of UHMWPE fiber in 2011 in China and abroad

美国Honeywell公司(前Allied Signal公司)购买了DSM公司的专利，经过改进后，建立生产线并推出了商品名为Spectra®的UHMWPE纤维。2009年，Honeywell公司UHMWPE纤维生产能力为1 kt/a，2010年达到3 kt/a。日本三井石化公司则采用自主研发的技术生产UHMWPE纤维。

2011年，世界UHMWPE纤维的总生产能力约29.2 kt/a，其中DSM公司和Honeywell公司约占42%;中国UHMWPE生产能力近17 kt/a，占总生产能力的约58%。

我国自1985年开始UHMWPE纤维的研究，中国纺织科学研究院、东华大学、盐城超强高分子材料工程技术研究所先后加入研发行列，并取得了一系列理论突破，1999年突破关键性生产技术，近年来发展非常迅猛。2006年国内总产量约为1 kt，2008年国内总产量约为4.2 kt。2010年据不完全统计，我国的UHMWPE纤维生产厂家已发展至20家左右，总生产能力可达到17 kt/a，主要生产企业有北京同益中特种纤维技术开发有限公司(简称北京同益中公司)、湖南中泰特种装备有限公司(简称湖南中泰公司)、宁波大成新材料股份有限公司(简称宁波大成公司)、中国石化仪征化纤股份有限公司、山东爱地高分子材料有限公司(简称山东爱地公司)、上海斯瑞聚合体科技有限公司(简称上海斯瑞公司)等［3］。宁波大成公司是国内最早采用湿法路线生产UHMWPE纤维，生产能力约1.5 kt/a;湖南中泰公司采用东华大学开发的湿法路线，2011年生产能力可达到2 kt/a;北京同益中公司经过近10年的技术发展，已建成了0.6 kt/a的生产基地;上海斯瑞公司大幅提高了其单线生产能力，据称总生产能力已达到3 kt/a;山东爱地公司从2005年8月开始UH-MWPE纤维的产业化研发，经过两年半技术攻关，陆续建成了7条UHMWPE生产线，总生产能力达到2 kt/a，2011年该公司所有生产线投产后，总生产能力可达到5 kt/a，目前是世界第二，亚洲最大的UHMWPE纤维生产企业。北京(怀柔)威亚公司设计规模为0.2 kt/a。北京同益中公司、湖南中泰公司、浙江大成公司、山东爱地公司、北京威亚公司等企业主要采用湿法纺丝工艺［3－5］(见表2)。

表2 2011年我国主要的UHMWPE纤维的生产厂家Tab.2 China principal UHMWPE fiber producers in 2011

除了生产能力上的进步，我国UHMWPE纤维在生产技术上突破了以往大体类同的局面，开始出现干法纺丝的新工艺以及在纤维纺丝过程中加入纳米碳纤维的新技术和新产品。中国石化仪征化纤股份有限公司、南化集团研究院与中国纺织科学研究院联合开发的300 t/a UHMWPE纤维干法纺丝工业化成套技术已通过中国石化股份有限公司的技术鉴定，据称未来将建成3 kt/a的纳米碳增强的UHMWPE纤维，在一定程度上改进了原纤维的耐热性、抗蠕变性和界面性能［3］。

随着市场需求不断增加，国内几家公司都在计划不同程度的扩产，但产品性能仍无法与国外的干法产品相比，并且我国单机生产能力低于发达国家水平，扩大生产能力的直接手段是不断复制已有的小规模生产线，技术水平偏低，产品质量还存在一定的差距，见表1和表2。

3 国内外UHMWPE纤维市场需求和预测

3.1 国外UHMWPE纤维市场需求及预测

UHMWPE纤维具有比强度高、比模量高等众多优异性能，在国外广泛应用于军事、航空、海洋产业、体育运动器械等领域，其中除了军事方面对防弹材料需求剧增外，特种绳索市场应用发展迅速，每年以200%的速率递增，直接推动了产业的高速发展［3］。随着生产工艺的成熟、装置规模的扩大，产品成本将进一步降低，UHMWPE纤维将会更多地应用于远洋渔网、海洋养殖网箱、体育用品、医用材料等民用领域。

对UHMWPE纤维需求最为强劲的是美国、欧洲发达国家和地区，该地区应用UHMWPE纤维制作防弹衣、防弹头盔等防护用品的生产工艺较为成熟。目前，UHMWPE纤维的用途结构为:欧美主要用于防弹衣和武器装备，占总量的60%～70%，其次绳缆占20%，渔网等占5%，劳动防护占5%;日本主要用于绳缆、渔网、防护类，特别是防切割手套，在汽车生产涂漆工序的使用已达到UHMWPE纤维总需求量的1/4［3］。

世界对UHMWPE纤维的需求量逐年上升，2001年约1.8 kt，2003年约4.7 kt，2004年约6 kt，2005年约8 kt，2010年约50 kt，其中美国占70%，处于供不应求的状况。随着产品性能的改进、产量的增加和成本的降低，市场应用领域正在迅速得到扩展。据预测，今后5年世界对UHMWPE纤维的需求增长率保持在每年约30%，2012年以后国际市场年需求量将超过80 kt，未来10年内对该纤维的年需求量将达300 kt左右［2］。

3.2 我国UHMWPE纤维市场需求及预测

3.2.1 产品进口情况

我国虽然从2002年起采用湿法工艺生产UHMWPE纤维，但由于产品质量与荷兰DSM公司的产品存在较大差距，目前仍需大量进口DSM公司的产品。但由于DSM公司对我国实行限量供应，且产品价格约38～80万元/t，因此进口产品不能满足国内日益增长的市场需求，见表3。

表3 近年我国UHMWPE纤维进口情况Tab.3 China UHMWPE fiber im port in recent years

3.2.2 我国产品消费市场

从表4可见，我国UHMWPE纤维应用较多的也是绳索类产品，仅国内缆绳行业的纤维材料年需求量在3 kt以上;其次应用于软质防弹衣、防刺服、防弹头盔等类产品，市场的需求量非常巨大。我国有很多企业都在用进口DSM公司的纤维加工成防弹衣、防弹头盔等防护用品，产品出口主要以防护用品成品形式，产品大量出口美国和欧洲。此外，我国国防现代化建设和警察装备建设对个人防护用品的需求正处于快速增长阶段，预计对UHMWPE纤维的需求增长将高于世界平均增长率。南方地区有数家企业利用进口的Dyneema SK75纤维生产船舶系泊(军用、民用)、海洋救助、运输吊装等用途的高强度绳索。

表4 我国UHMWPE纤维的应用领域及需求量［2］Tab.4 App lication and demand of UHMWPE fiber in China

预计随着生产成本和产品价格的下降，以及其在国防和民用领域的发展，尤其是在民用领域(绳缆、远洋渔网、海上养殖、劳动防护类)，UHMWPE纤维应用范围将不断扩展［3］。

3.3 国内外原料市场分析

目前，世界UHMWPE树脂的生产能力不到170 kt/a，其中国外主要生产厂家有德国TICONA公司、美国蒙特尔公司、荷兰DSM公司和日本三井石化公司等，见表5。

表5 世界主要UHMWPE树脂生产厂家［6］Tab.5 W orld principal UHMWPE resin producers

其中德国的TICONA公司生产能力90 kt/a，其在德国欧伯豪森、美国德克萨斯和中国南京等地都设有生产基地，特别是2008年9月在南京投产的20 kt/a的UHMWPE树脂生产线将有效满足国内市场对UHMWPE树脂不断增长的需求，有利于我国的生产企业降低原料成本。

4 国内外差距分析

4.1 工艺路线和规模

目前，UHMWPE纤维生产技术被荷兰、美国、日本等垄断，国内无法引进它们的技术，只能买到它们的产品。如前述，UHMWPE纤维凝胶纺丝方法分为干法和湿法，其主要技术特点比较见表6。

表6 干法和湿法纺丝工艺路线对比Tab.6 Contrast of dry and wet spinning processes

目前国内技术以石蜡油为溶剂的湿法工艺路线比较成熟，但产品仍属于低端产品。且以石蜡油为溶剂的工艺路线还分不同的工艺实施方式和不同的设备配置，最终形成的设备投资差距也比较大，单机产量，产品质量，消耗成本差距较大。从设备装备上，盐城宏达公司与东华大学材料工程学院联合成立东华大学宏达超强高分子材料工程技术研发中心，对各种设备进行了大胆的试验与改进，同时，申报了12项专利，使工程的单机产量和产品质量得到了大幅提高，目前已推广使用了10多条生产线。

而南化集团研究院和中国纺织科学研究院、中国石化科技开发公司合作开发的干法生产工艺，其高性能(军工)产品指标已达到国际先进水平，普通UHMWPE纤维(民用)产品可以满足广泛的市场需求，尤其是2008年底南化集团建成了国内第一条300 t/a干法纺丝UHMWPE纤维工业化生产线，实现了干法纺丝技术的国产化突破。

从生产规模上看，国外UHMWPE纤维的单线规模在400～750 t/a，而我国以北京同益中公司和宁波大成公司为代表，单线规模为125～150 t/a。DSM公司干法生产线单线生产能力可达750 t/a，而我国南化集团为代表的则为300 t/a。

4.2 产品质量

DSM公司是世界上UHMWPE纤维产量最高、质量最佳的制造商，采用干法纺丝路线，强度和模量高，伸长率低，残留溶剂少，价格贵，附加值高，其产品用于防弹衣和武器装备占总量60%～70%，其次为绳缆占20%，渔网等占5%、劳动防护占5%。我国的产品无论从单线能力、能耗、产品质量上与DSM公司都有一定的差距，见表7。

表7 国内外UHMWPE纤维的性能比较Tab.7 Properties of UHMWPE fiber in China and abroad

5 结语

UHMWPE纤维是我国唯一具有国际竞争力的高性能纤维，因此加大国产化工艺技术的开发和研究，对促进和引导我国纺织工业结构由低附加值、低科技含量、粗放型向高附加值、高科技含量、集约型方向的调整，打破国外对我国相关产业的技术垄断，特别是对国防军工产业的高端产品实施的封锁，具有非常重要的现实意义。

目前，我国UHMWPE纤维的生产技术以石蜡油为溶剂的工艺路线比较成熟，但产品仍属于低端产品。与国外技术相比，我国工艺在单机产量、产品质量、消耗成本方面差距仍较大。而干法纺丝工艺流程短，纺丝速度高，产品质量较好，溶剂对环境的影响小。建议进一步研究UHMWPE纤维开发干法纺丝工艺，尤其是干法纺丝中十氢萘的回收技术，并进行设备和生产工艺的优化，提高单机产量，实现更大的规模化生产，以技术进步带动产业升级。

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