产业用高性能聚酯纤维的开发及发展趋势

产业用高性能聚酯纤维的开发及发展趋势

2011年01月12日16:12 【作者：王鸣义】【字体：大中小】摘要：简要介绍了世界和中国大陆近十年来已经投入商业化的产业用高性能聚酯纤维的发展概况。聚酯工业丝的产能和产量得到高速的发展，聚酯改性技术的应用将带动阻燃等具有良好发展前景的聚酯纤维迅速量产。随着聚酯上端原料产业的结构调整，高性能聚酯纤维的原料将有望得到实质性的突破。从发展趋势看，高性能纤维的应用领域逐步从单纯军用转向多领域应用；从加工链的角度看，更注重原料的开发和产业化技术的应用；高性能纤维的应用领域拓展带动应用领域的整体竞争力提升。

关键词：高性能聚酯；纤维；产品开发；发展趋势

聚酯以及聚酯纤维从20世纪70年代步入大规模工业化以来，无论是技术水平还是生产品种，其发展速度远远大于其他合成材料和合成纤维。2009年世界聚酯产量达到4810万t，聚酯纤维产量达到3190万t；中国大陆聚酯产量2100万t，聚酯纤维约为2200万t，包括使用再生聚酯生产约460万t。今后的十年，世界聚酯以及聚酯纤维仍将保持3％以上的速度增长。

十多年来，产业用纺织品与服用纺织品相比，在西欧和北美已经发展成为一个增长的市场，尤其是聚酯工业丝的加工技术突飞猛进，无论在加工成本和纤维的性价比都有令人瞩目的亮点。尽管受国际金融危机的严重影响，世界范围的产业发展出现暂时的减缓和停顿，但2009年世界聚酯工业丝的年产量亦达到110万t。

2005年起，聚酯以及聚酯纤维新产品的市场开发达到峰值，欧洲、美国以及日本的高技术(高性能)纤维开发研究和规模化工业化的速度愈加迅速。至2010年，世界聚酯产品结构凋整的步伐进一步加快，聚酯以及聚酯原料技术又有了新的突破，聚酯和聚酯纤维相对其他合成树脂和纤维进一步提升了竞争力。

从20世纪50年代起，美国为确保其军事、尖端科学和支柱产业在全球的领先地位，一直鼓励美国的研究机构和生产企业大力开发高性能纤维，例如美国杜邦公司、塞拉尼斯-赫斯特、壳牌化工等，并将其作为重要的技术支撑严格掌控。2000年以来，日本靠不断壮大、具有世界领先水平的高性能纤维产业，将美国新开发的高性能纤维在日本实现了产业化，例如PBO纤维等，并兼并国外优势品种的事业部，使日本的弱势品种迅速提升到世界先进水平，从而确立了现今在世界高性能纤维领域的领先地位。

所谓聚酯系列的高性能纤维是具有相对特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的聚酯纤维。聚酯系列高性能纤维主要体现在耐强腐蚀、低磨损、耐高温、耐辐射、阻燃、抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、反渗透、高效过滤、吸附、离子交换、导光、导电以及多种医学功能。这些纤维大都应用于工业、国防、医疗、环境保护和尖端科学各方面。

1高性能聚酯工业丝的产品开发

目前高性能聚酯工业丝的产品开发主要包括4个方面，其一是在已经产业化的涤纶工业丝生产基础上，对其生产过程和规格要求进一步优化改进，开发适合特殊领域要求的产品；其二是对原料进行改性，包括共聚改性和无机添加剂改性等，以突出其某一化学或物理的高性能特点；其三是改变原料组成，采用新技术和新工艺，生产化学和物理性能相对“涤纶”有较大改变的聚酯工业丝，例如 PEN等；其四是从应用角度出发，开发适合可持续发展的节能降耗、减少对环境污染的新产品以及相对其他化学纤维更具市场综合竞争力的产品。

1．1磷系阻燃聚酯工业丝

自20世纪60年代初美国Goodyear公司开发出涤纶帘子线以来，圈外涤纶工业丝的研究开发不断深入，产品性能显著提高，各种差别化的工业丝产品被推向市场。尤其是美国和欧洲市场，逐步建立了相

对完善的阻燃纺织品法规体系。美国和欧洲的化纤生产企业从新世纪起，更重视阻燃型纺织品的研究开发与生产，并形成了从聚合物改性—纺丝—织造—整理的成套技术，从具备阻燃性能的帆布、安全带、传送带开始，逐渐推出了车用纺织品等一系列的阻燃产品。

我国法规或行业技术标准要求织物阻燃性能达到B1级(难燃级)的建筑装饰织物、煤炭工业使用的传送带、交通工具上使用的织物、物流的遮盖物均大量使用涤纶工业长丝。织物后整理获得阻燃效果的工艺在民用涤纶长丝织物领域已逐渐被采用具有阻燃性的纤维制得阻燃织物工艺所取代。

中国石化上海石化涤纶事业部从20世纪90年代起研究和开发阻燃聚酯和纤维产品。经过多年研究，通过对阻燃剂的筛选和工艺研究试验，在国内首家实现了具有成本减低、稳定性高、产品品质优异的在连续式工业化聚酯装置上生产磷系阻燃共聚酯切片。

磷系阻燃共聚酯再进行固相缩聚反应(又称增黏反应)，生成聚合度更高、相对分子质量更大的聚酯切片，其特性黏度可达0.9~1.0dL/g，然后直接纺丝制成磷系阻燃工业长丝。相对聚酯工业丝织物的阻燃后整理工艺，这种磷系阻燃工业长丝具有阻燃效果稳定、加工链总体生产成本降低、能耗降低和对后加工的环境污染减少的优势。

1．2聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)工业丝

PEN是由2,6-萘二甲酸与乙二醇缩聚而成，新世纪以来，其合成技术已趋成熟，并已经开始批量化供应市场。目前全球生产PEN的企业仅有帝人集团、东洋纺、三菱化学、M&G、Performance Fiber、杜邦及Kolon等为数不多的聚酯相关企业。

PEN优异的性能主要体现在相对高的耐热性， PEN的玻璃化转变温度为113℃，远高于PET的65℃，因此PEN制品受热收缩率小，在环境温度相对较高的条件下，热变形小，相对尺寸稳定。 PEN的热稳定性及热氧稳定性明显优于PET，起始分解温度比PET高30℃，在高于熔点的温度下对氧的敏感性不显著，因此，PEN制品可以在155℃下长期使用(F级绝缘膜)，可在300℃下短时高温加工(熔焊、蒸镀及喷溅涂层)。PEN的物理机械性能优于PET，加上热收缩率低，是制造轮胎帘子线的理想材料；气体阻隔性及防紫外线性优于 PET，波长320 nm以上的紫外线100％通过PET，而PEN则可以完全遮断波长380nm以下的紫外线；此外，PEN还是很理想的高分子材料防紫外线改性剂，例如PET与摩尔分数为10％的PEN共混可以完全遮断波长370 nm以下的紫外线，而且在纺丝中不会分解、挥发。PEN还有很高的化学稳定性，耐酸、碱及耐水解性优于PET，并且对有机物吸附能力低，不易受污染，便于清洗。

目前PEN在纤维领域的商业化应用定位于产业用途。PEN工业丝在强度、模量及尺寸稳定性上明显优于PET工业丝，有望取代人造丝用于轮胎骨架材料。在全球环境保护和资源节约意识高涨以及循环经济的大力倡导下，会使可回用或再生的 PEN制品受到重视。在神钢-Exxon，Mobil 2,6- DMN技术实现产业化之后，性能优良的PEN将会进入其快速发展期。

位于南亚的印度Futura公司近几年来在聚酯产品开发尤其是新聚酯开发上不懈努力，该公司可以提供市场高性能的用于工业丝级的PEN切片，特性黏度为(0．75±0．02)dL/g和(0．95±0.02)dL/g。还可提供PET-PEN合金材料，例如可用于轮胎帘子线的PENTy(y=5％、10％、15％)切片。

1．3具有市场综合竞争力的工业丝产品开发

近儿年，国内引进了高模低收缩聚酯(HMLS)工业丝生产线，经过消化吸收引进技术和再创新，已经开发了适合各种用途的高模低收缩系列产品，例如上海石化已经开发成功超高强、表面活性处理等HMLS 产品，并批量供应市场。

聚酯工业丝中的超高强型、超低收缩型、耐磨型、活化型等品种可以成为输送带、传动三角带、 PVC 涂贴层织物、安全气囊、消防水带、胶管等的骨架材料，被广泛应用于煤炭、冶金、矿山、化工、港口等行业。此类产品的主要性能体现在具有相对较高的模量，合适的抗拉强度；长期高温或低温交替环境

条件下稳定的物理机械性能和抗蠕变性能；能够抵御环境侵蚀和部分化学腐蚀。

相对粗旦的聚酯工业丝是使用于恶劣环境的聚酯帆布、三角传送带和同步传送带骨架材料的最佳选择。细旦的聚酯工业丝逐步向充气袋等织物领域渗透。车载安全气囊已经批量使用聚酯工业丝而部分取代尼龙纤维。

在原有高强低伸的工业丝品种上进行技术改进后的高强耐磨型工业丝系列产品，可替代进口工业丝，被用作车用安全带的专用丝，产品主要分为高强低伸和中强中伸型，以适应不同的织带要求。该产品在制造过程中对毛丝和染色均匀性有严格的要求。

以高强低收缩涤纶工业长丝作为原料生产的 PVC蓬盖布，具有较高的剥离强度和撕裂强度，能适用于各种用途，如柔性体广告灯箱材料、充气结构材料、蓬盖建筑织物遮阳帐篷等。该产品最大的特点是热稳定性好。以高强低收缩工业丝为主的织物材料在特殊防护服、伪装、覆盖物、背囊等军需方面也得到应用。对聚酯工业丝进行碳氟结构润滑剂的表面处理，可以改善聚酯纤维的防水性和防油性，解决了PVC涂层织物的“灯芯吸湿效应。”

上海石化自2001年起对涤纶工业长丝产品表面活化技术进行了研究，于2005年形成了自有技术，在表面活性工业丝的开发过程中，优选了活化剂，研究了活化剂上附方式及上附量等关键技术，解决了活化剂的稳定性和活化剂的附着均匀性等问题，产品已批量投放市场，并出口欧美等国。

2聚酯系列产业用高性能纤维的产品开发

2．1芳烃链产业结构调整为高性能纤维的原料提供来源

欧洲和美国等公司致力于混二甲苯(MX)产业链的产品开发，其中大部分已经得到产业化的开发和应用，最成熟的产品是间苯二甲酸(PIA)以及其后续产品。目前，美国和比利时的Amoco、意大利SISAS、日本AG国际化学、中国石化燕山分公司等都有生产。

由间苯二甲酸为原料生产的问芳酰胺聚合物纤维具有不易燃烧、抗熔滴等特点，适用于制造各种类型的耐热工作服、飞机的内装饰材料、热烟筒气体的过滤袋、石棉替代品、造纸用的干燥带和橡胶的增强物等，见表1。

2．2液晶聚酯纤维的开发

非晶态高聚物易熔融，易于纺丝，且纤维生产的成本较低、可靠性高，至今依然占据着普通纤维的消费市场，例如PET纤维。而高度结晶的聚合物纤维强度已经达到它们同类非晶态高聚物强力的3～4倍。聚芳酰胺(芳族聚酰胺)是最早的高性能纤维，随后是高模聚乙烯(HMPE)、聚芳酯(芳族聚酯)等其他高聚物。

液晶聚合物是一种进入液态时(通过溶解、熔融)可以自行组织成结晶区的聚合物。结晶区的排列和成形能改进无定形聚合物基纤维在高强、高模、耐高温及其他方面的性能。例如，芳族聚酰胺(如Kevlar)是通过易溶的液晶聚合体(LCP)的干喷湿纺工艺制得，芳族聚酯(如Vectran)是通过热致LCP熔融纺丝制得。

首个具有完全意义上的聚芳酯是由Celanese于20世纪80年代发明的Vectra聚合物，于20世纪90年代开始商业化生产，商品名为Vectran纤维。本世纪，日本的可乐丽公司购买了该类产品的生产经营权，扩大了产能，并成功开拓了应用市场。这种聚合物是一种类似芳族聚酰胺的聚酯，用具有双环结构的萘代替乙烯。与标准的PET相比，其强力、模量和热稳定性有所增强。熔融纺丝过程中，通过对高剪切纺丝过程中的结晶区域进行校正，改善了热致性LCP的物理性能。由于Vectran属于聚酯类化合物，其依然保留着PET的优点，如高强、较好的尺寸稳定性和极低的回潮率，见表2。

Vectran高强度多芳基化合物纤维具有高强度、低吸水性、高耐磨损性等特征，被使用于绳索、渔网、包层材料等。另外，通过采用纺前染色实现了产品的色彩多样化，凶此也被使用在体育用品等产品中。NASA的火星探测车的着陆用气囊，日本提出的“同温层平台构想”中使用的飞艇也都采用了该类纤维。

3产业用高性能聚酯纤维的发展趋势

3．1应用领域逐步从单纯军用转向多领域应用

根据CIRFS （ World Markets for Technical Textiles to 2012)的预测，尽管各区域与各产品的发展速度并不一致，但全球产业用纺织品市场至2012年将依然保持快速发展。最大增量出现在亚洲，特别是中国大陆。

产业用纺织品与成衣用、家用纺织品是纺织业的三大终端产品，其中产业用纺织品是纺织产业中技术层级高、附加价值高的产品，近年来发展快速，见表3。

随着经济的发展及国际竞争的加剧，发达国家加速进行纺织产业的策略转移及产业升级，将技术层级低、劳动力密集型的传统纺织业转移到发展中国家，而自己集中开发高附加价值、高技术层级的新型纺织品，维持对发展中国家的竞争优势，这些所谓高技术(高性能)纤维已经从以往的单纯为军事和航天领域的应用，逐步转向工业用。产业用纺织品是发达国家主要发展的新型纺织品之一，占整体纺织产业的比重日益增加。

聚酯工业丝，在很大程度上所体现出的性价比会在今后的儿年中得到更好发挥，主要是可以替代现有的天然材料和合成材料，至少在建筑、高等级道路建设、汽车领域等取代部分尼龙、粘胶、石棉、木纸浆、钢筋等。

中国产业用纺织品和非织造布市场巨大。约占亚洲消费总量的50％以上。预测到2010年，中国产业用纺织品的耗用量将达到450-500万t，各类非织造布耗用量将超过180万t。随着中国经济的蓬勃发展和人民生活水平的迅速提高，特别是2008年北京奥运会和2010年上海世博会的举行，给国内产业用纺织品和非织造布行业的发展带来了新契机。

未来五年，内需增长仍然是我国产业用纺织品发展的主要拉动力。随着我国汽车、建筑、卫生、水利、农业、交通、能源等相关产业的发展，将带动产业用纺织品消费的不断增长。预计2010年产业用纺织品纤维消费量将比2005年增加200多万t。

3．2从加工链的角度，更注重原料的开发和产业化技术的应用

高性能纤维从20世纪60年代起就已经开发并实现产业化，但是，受到加工技术和原料的制约，没有相对规模化的批量投放市场。因此，这些纤维的应用领域，包括应用技术的发展远远落后于纤维本身的开发。

从新世纪开始，欧美、日本加快了聚酯类高性能纤维的原料开发和合成纤维技术的产业化应用节奏，从不少专业化公司本身结构调整的需求出发，将高性能纤维用原料的批量化生产作为重点之一，例如美国的杜邦公司将化纤业务转入柯氏集团后，仍然致力于高性能高聚物的研究开发，包括液晶聚酯、PEN 等。日本的帝人公司、东丽公司，在开发高性能纤维的同时，仍然致力于这些原料的规模化研究，与其他公司合作形成相对低的成本和加工相对简单的工艺路线。欧洲的BASF、DSM，美国的 Eastman、杜邦，日本的帝人、东丽公司仍在积极开拓产业用高端市场合成聚酯材料的研究，并积极开展应用技术的研究和推广。从产业用角度，聚酯类的高性能纤维相对原料易得，合成过程简单，纤维生产企业具有相对成熟的管理经验，产品质量稳定，生产成本低。同时，基于聚酯纤维的应用加工基础，可以更好发挥该类纤维的综合特性。

3．3高性能纤维的应用领域拓展带动应用领域的整体竞争力提升

世界人口增加，天然植物纤维和动物纤维不可能在短时期有突破性的增加，因此聚酯纤维无论在民

用和产业用市场都有继续存在的必要。尽管聚酯纤维生产企业是全球产品结构调整的主要对象，但不可否认的是，聚酯纤维在差别化和产业用纺织品市场上仍在不断进取和发展。聚酯纤维与其它合成纤维相比，其优异的物理化学性能、相对环保(见表4)、可回收、加工技术发展和规模化效应，使得聚酯以及改性聚酯纤维在今后的十年内仍将保持很好的发展机会。

4 结语

高性能纤维的拓展带动应用领域的整体竞争力提升，在减轻复合材料的重量，提高使用的耐久性和减少维修、保养成本等渚多方面，聚酯类高性能纤维越来越发挥出其综合竞争优势。未来的数十年，高性能聚酯纤维的发展不仅仅从数量上有长足的进展，更将在应用领域的拓展和产业链整体竞争力的提升上取得实质性的成效。