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超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

第1期50

2011年3月

纤维复合材料

FIBERCoMPoSITES

Nl

Mar.,2011

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

赵刚,赵莉,谢雄军

（中国航天第三研究院,北京100074）

摘要本文简要介绍了世界高性能纤维主要品种——超高分子量聚乙烯纤维的基本性能和主要应用领域,重点

归纳了十几年来国内外相关企业的生产,技术和行业发展状况,综合分析了国内外超高分子量聚乙烯纤维及其复

合材料市场的供需趋势,指出了该种纤维行业具有良好的产业发展优势与前景.

关键词高性能纤维;超高分子量聚乙烯纤维（UHMW—PE纤维,HS—HMPE纤维）;复合材料市场

UltraHighMolecularWeightPolyethyleneFiberMaterial

TechnologyandMarketDevelopmentProspect

ZHAOGang,ZHAOLi,XIEXiongjun

（TheThirdResearchAcademyofChinaAerospace,Beijing100074）

ABSTRACTThissummarydescribeshighperformancefiber_一ultrahighmolecularweightpolyethylene（UHMW—

PE）fiberintheword,anditsbasicperformanceandmainapplicationarea,focusrelatedenterpriseofproduction,technolo?

gYandindustrydevelopmentstatus,analysisthemarketofthesupplyanddemandtrendsofthefiberanditscomposites,

pointedoutthatthefiberindustryhasdevelopmentadvantageandbroadmarketprospect.

KEYWORDSHi小performancefiber;UHMW—PEfiber（HS—HMPEfiber）;Compositesmarket

1国外超高分子量聚乙烯纤维技术

的发展

上世纪七十年代后期,以白色粉末状超高分子

量聚乙烯为原料,采用全新的冻胶纺丝及超拉伸技

术,制得了超高强高模的聚乙烯纤维（也称为超高

分子量聚乙烯纤维,简称UHMW—PE纤维或HS—

HMPE纤维）,使得世界化学纤维和化学纤维工业开

始了新的飞跃.超高分子量聚乙烯纤维具有优异的

物理机械性能,成为继碳纤维和芳纶纤维之后出现

的第三代高性能纤维,它是目前已经工业化的纤维

中强度最高的纤维.就强度而言,目前使用该种纤

维制得的绳索可以吊起来的最大重量,是同样粗细

钢丝绳吊起的最大重量的8倍.此外,超高分子量

聚乙烯纤维的密度小于碳纤维和芳纶纤维,还具有

特别优异的耐化学性和耐气候性,高能量吸收性,低

导电性,拒水性,在长时间光照下仍能保持高强高模

的特性.鉴于超高分子量聚乙烯纤维具有优异的力

学性能和其它特种纤维无法比拟的特点,该纤维被

称为继碳纤维和芳纶纤维之后又一种主要的高性能

纤维,其生产简要工艺流程图见图1.

图1UHMW—PE纤维生产简要工艺流程

1979年,荷兰DSM公司申请了该种纤维一些

专利以后,立即引起了世界的广泛关注.随后美国

的Allied联合信号公司（即现在的Honeywell公司）

购买了该专利,经改进后水平进一步提高.到了九

十年代中期,它们的生产规模都达到了1000吨/

年.直到上世纪九十年代末以前,国际上只有荷兰

DSM公司,美国Allied公司,日本东洋纺公司和三

井公司等几家公司形成了专利技术,并已形成工业

化规模的生产.随着超高分子量聚乙烯纤维生产的

发展,纤维的品质在不断地提高,用途范围也在不断

1期赵刚等:

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

扩大.

西方这几家公司采用封锁技术,操纵价格等手

段,相对垄断了超高分子量聚乙烯纤维国际销售市

场,并在相当长时期内将此类产品列为"巴黎统筹

协议"中禁止向社会主义国家出口的军事用品.

荷兰的DSM公司最早将其所生产的超高分子

量聚乙烯纤维产品命名为"高韧性高模量聚乙烯纤

维".尽管该种纤维名称有所不同,但所使用的原

料都是平均分子量在100万左右,甚至平均分子量

在500万以上的线型聚乙烯颗粒.由于超高分子量

聚乙烯分子链长,且相互高度缠结,结晶度在60%

～

85%,密度为0.92～0.94g/cm之间,熔体呈高

弹态,粘度极高,几乎没有流动性,难以采用通常的

熔融法纺丝制造出高强度高模量的纤维.直到二十

世纪七十年代,荷兰DSM公司以粉末状超高分子量

聚乙烯采用"冻胶纺丝——超倍拉伸工艺"纺制出

高韧性高模量聚乙烯纤维后,以超高分子量聚乙烯

为原料实现高性能纤维的工业化生产才有了突破性

进展.

目前,荷兰的DSM公司,美国的Honeywell公

司,日本与荷兰DSM公司在13本联合建立的东洋纺

织一DsM公司,以及13本的三井公司都已实现了工

业化生产.在国际市场上,其中三个公司先后推出

自己的品牌,有Honeywell公司的Spectra900,Spec—

tra1000和Spetra2000,DSM公司的DyneemaSK60,

SK65,SK70,SK75,SK76,SK77等,以及日本三井公

司的Tekmilon品牌.

2纤维材料的主要特点

2.1物理性能

一

般而言,超高分子量聚乙烯纤维本身具有三

种形状:

即单丝,复丝和带子,形状规格不同,其物理

性能差异较大.理想状态下的该类纤维具有最好的

力学性能,故有人称其为"纤维之王".国外研究报

告称,该纤维因其综合性能优于目前常用的芳纶和

碳纤维而可能成为世界上最优秀的增强纤维材料.

同时它的比重比水还小,可能是目前世界最轻的高

性能工业化纤维.

2.2耐气候性能

该种纤维具有优异的耐气候性能,在长时问光

照下仍能保持其高强高模的特性,这得益于其化学

结构的惰性及特殊的物理结构.

2.3耐磨耐弯曲性能

由于该种纤维具有较低的摩擦系数,因此它具

有比其他高性能纤维更加优越的耐磨性能.同时该

纤维在具有高强性能的同时又有相对较大的伸长,

因此具有良好的耐弯曲形变性能（如表1所示）.

该种纤维易于制成针织,机织及其他织物,更易于复

合加工成型.

2.4耐化学腐蚀性能

该种纤维由于化学结构单一惰性,并且具有高

度取向和高度结晶的结构,因此它能耐绝大部分化

学物质腐蚀,只有极少数有机溶剂能使纤维产生轻

度溶胀（如表2所示）.

2.5与其它纤维主要性能的比较

该纤维的密度是不锈钢丝的1/8,HM碳纤维的

1/2,玻璃纤维的1/2.5,而该种纤维的强度是不锈钢

丝强度的5倍,是HM碳纤维和玻璃纤维的1.6倍.

由于超高分子量聚乙烯纤维的比强度是不锈钢比强

度的40倍,再加之该纤维的模量也高出不锈钢丝的1

倍多,因此它是替代金属材料,性能价格比最为合适

的高性能纤维品种之一（表3）.在工业上它可以大

量替代Kevlar纤维（芳纶纤维）和玻璃纤维,制得的

增强复合材料制品的体积和重量都有明显的减少,制

品的力学性能和操作加工条件得到极大改善.

3主要应用领域

由于超高分子量聚乙烯纤维具有超高强度,超

高模量,低密度,耐磨损,耐低温,耐紫外线,抗屏蔽,

柔韧性好,冲击能量吸收高及耐强酸强碱化学腐蚀

等众多的优异性能,在航海,航空,航天,防御装备及

现代化战争中发挥了举足轻重的作用.使用该纤维

加工成产品主要分为四类,即:

绳索,纺织织物,无纺

织物与复合材料等,产品主要应用领域见表4.

表l超高分子量聚乙烯纤维和其它高性能纤维的耐摩擦及耐弯曲性能比较

52纤维复合材料2011年

表2超高分子量聚乙烯纤维和芳纶

纤维的耐化学物质腐蚀性能比较

浸润6个月后纤维强度保持率（%）

HSHMPEKevlar

表3超高分子量聚乙烯纤维Spectra系列

与其它纤维主要性能的比较

表4超高分子量聚乙烯纤维产品的主要用途

4国外企业概况萎主皇主

上世纪七十年代末期,荷兰帝斯曼DSM公司采的创始公司,也是该种纤维世界上目前产量最高,质

1期赵刚等:

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

量最佳的制造商.八十年代美国Allied—Singal公

司与荷兰帝斯曼DSM公司合作,在美国成立霍尼韦

尔Honeywell公司,生产超高分子量聚乙烯纤维中

低端产品,且仅限北美市场销售.日本东洋纺公司

和荷兰帝斯曼DSM公司合资在日本成立三井公司,

生产超高分子量聚乙烯纤维,销售地区仅限日本本

土和中国台湾省.

据国外有关资料统计,2008年上述国外三家公

司UHMWPE纤维总产能为8500吨/年,实际产量

7200吨/年;2009年荷兰DSM公司的总产能已超

过10000吨/年,2010年日本Dyneema的产能提高

至2400吨/年,单线产能800吨/年.荷日两家均采

用干法工艺,美国Honeywell公司采用干喷湿纺工

艺.

超高分子量聚乙烯纤维产品于八十年代一经问

世,就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视,历经

十几年的中试,工艺完善,到九十年代中期形成了商

品化规模生产.

目前,国际市场超高分子量聚乙烯纤维产品被

荷兰的DSM公司,美国的Honeywell公司与日本的

三井公司所垄断,2005年出版的《现代工程材料手

册》中写到:

三家公司都"取得了丰厚的利润".根

据国际市场目前供不应求状况,三家公司在全球范

围不断扩大产量.

由于国外三家公司在前期技术购买,工艺试验

中投入了数以亿计美金,为了获取高额的回报,三家

公司采用封锁技术,操纵价格（某些型号纤维价格

高达120万吨）等手段,相对垄断了国际销售市

场,并在以前相当长时期内将此类纤维及防弹无纬

布产品列为"巴黎统筹协议"中禁止向社会主义国

家出口的军事用品.三家公司高额的价位,相对制

约了超高分子量聚乙烯纤维产品在世界更广泛的领

域应用和发展.

国际上,超高分子量聚乙烯纤维的大量开发,生

产和应用是在二十世纪九十年代后期,日益增长的

纤维防弹无纬布材料市场需求大大带动了该种纤维

产业的逐步完善与发展.由于国外只有上述三家企

业拥有超高分子量聚乙烯纤维无纬布的关键生产加

工技术和对外供货能力,所以,相对垄断了这一领域

的世界高端市场,大大提高了产品的售价,赚取了高

额利润.

5国内相关企业的发展

我国自九十年代末开始超高分子量聚乙烯纤维

生产工艺和装备的研究,并开展了中试生产.江苏

神泰科技发展有限公司及所属盐城超强高分子材料

工程技术研究所先后加入研发行列,主要致力于该

种纤维成套装备的技术研发和设备制造及成套工艺

技术产业化,并取得了一系列重大理论与实践的突

破.随即国内一些企业在江苏神泰科技发展有限公

司提供的成套设备与工艺的帮助下,投入中试及小

规模工业化生产,至今经过不懈努力其纤维性能已

经达到国际水平并具有各自的特色,部分企业已开

始进人规模化生产阶段.

通过十几年的研究摸索,国内十几家知名公司,

成功建成了数十条超高分子量聚乙烯纤维生产线,

形成了较为完善的规模化生产能力.它们主要是:

北京同益中特种纤维技术开发有限公司;

浙江宁波大成新材料股份有限公司;

湖南中泰特种装备有限责任公司;

北京威斯特特种材料有限公司;

北京同益中公司无锡分公司;

江苏神泰科技发展有限公司;

江苏六甲高分子材料有限公司;

广东信达化纤有限公司;

山东爱地高分子材料有限公司;

山东翔宇化纤有限公司（在建）;

山东青岛信泰高分子材料有限公司（在建）;

江苏仪征化纤集团;

江苏奥神集团（连云港）;

浙江东南化纤有限公司;

浙江翔盛集团;

浙江千禧工贸有限公司;

河北坤腾实业有限公司.

目前国内十多个厂家生产超高分子量聚乙烯纤

维,由于他们所采取的工艺方式和设备路线不尽相

同,导致了产品质量和单机产量差距较大.部分国

内生产厂家的纤维质量已能满足国内外的高端市

场,国产超高分子量聚乙烯纤维品质不断提高,成套

工程技术生产线已基本达到国际先进水平.但也有

小部分生产厂商由于多种原因,致使部分纤维质量

不理想,生产状况极不正常.

国际专业分析机构认为,目前拥有超高分子量

纤维复合材料2011拒

聚乙烯纤维及无纬布产业化生产先进技术的厂家较

少,中国是目前全球拥有相关核心技术的极少数国

家之一.在超高分子量聚乙烯纤维工业化大规模生

产及配套装备研发等方面,中国许多企业对世界高

性能纤维行业做出了突出贡献.

6国内相关技术发展特点与方向

6.1潜在国际竞争力强

超高分子量高强聚乙烯纤维是我国唯一具有国

际竞争力的高性能纤维,也是获得专利最多的品种,

现在已形成6家左右骨干企业.我国单套生产线最

大产能为400t/a,相当于国外的1/2,如果采用国产

树脂和设备,目前达到2500t/a总产能的产品成本

估计为100kg左右,这是目前国外产品难以达

到的.据调查,国内部分厂家相关产品的单丝强度

可达到45cN/dtex,产品均匀性好,纤度不匀率可控

制在2%左右,总体技术指标已基本达到国际先进

水平.特别是个别企业实现千吨级规模生产装置

后,总体成本将进一步降低,有利于大力推进该种纤

维的产业化进程.

6.2行业正处在成长初期

中国国内的超高分子量聚乙烯纤维的生产工业

化正处于边生产,边摸索,边改进,边完善的阶段,主

要有中纺投资北京同益中特种纤维技术开发有限公

司,浙江宁波大成新材料股份有限公司和湖南中泰

公司.而由于国际市场的大量需求,使得国内的生

产厂家都不断在扩大或是在计划扩大其生产规模,

以适应国内,国际市场不断扩大的需求.

6.3多种工艺技术路线并存

目前我国该领域后建企业越来越多,从工艺技

术路线看,技术水平都差不多.绝大多数企业仍采

用较早的凝胶纺丝技术,目前暂时只有个别公司采

用干纺工艺.对UHMWPE纤维产业来说,专家认

为应鼓励多种工艺技术路线并存,但要优先支持技

术可靠,成本较低,最有市场发展前景的生产工艺,

其中包括开发无溶剂回收问题的熔纺工艺,"一步

法"工艺等,以满足高科技防护和医用纤维等领域

的特殊要求.

6.4努力实现低成本的优势

缩短工艺流程,直接回收溶剂,实现高速度喷丝

和牵伸等关键工艺的进一步成熟与突破,是实现生

产成本相对较低的技术基础.

6.5逐步实现纤维功能化与差别化

今后重点研发方向是开发高速纺丝技术,超细

纤维制造技术及复合纺丝技术,并逐步实现超高分

子量聚乙烯纤维的"细旦纤维型号","异型截面纤

维系列"等技术与规模生产,满足多种市场的特定

需求.

6.6重视实现环境友好型的生产工艺路线

主要表现在:

不断降低生产过程中三废排放,提

高溶剂回收率,降低各类消耗,对环境影响很小,等

等,这些将在未来越来越受到重视.

6.7逐步实现产品的高品质

目前主要在严格控制纤维纤度偏差,降低纤度,

提高抗蠕变性,增强耐磨性能等方面下工夫,逐步形

成特色产品系列,提高产品附加值.

6.8将形成成熟的工业成套技术与装备制造产业

在浆料制备,多位连续纺丝成型,大型超倍拉

伸,纺丝和回收系统等多项核心技术方面进行突破,

优化调整生产装置,最终形成成熟的工业化成套技

术与装备产业,填补国际空白.

6.9主体产品价格下降空间大,将进一步带动

需求的增长

随着工艺的进一步优化,生产成本将逐渐下

降,预计近几年产品价格还会有20%左右的下降空

间,从而可以降低用户的采购成本,大大刺激需求的

增长.

6.10目前国内相关产业存在的问题

如,目前还没有完全形成稳定的纤维原料生产

工艺,国产原料质量不太稳定,尚没有形成适合超高

分子量聚乙烯纤维生产工艺的原料标准,严重制约

了下游纤维产品质量的提升;纤维及下游产品的品

牌意识不强,存在国内只有厂家,没有品牌的局面,

国家缺乏有力的产业政策实际引导等等.急需相关

行业协会组织开展有关产品国产化标准起草推进工

作,同时需要考虑制定产业节约化,规模化的合理引

导和限制政策.

7纤维及无纬布产量统计

目前国内3家主要的纤维生产商的企业规模得

到快速发展,主要得益于项目前期的纤维主要下游

产品——防弹无纬布的销售带动,其纤维无纬布材

料加工利润实际占其企业初期总利润的70%以上.

整个全球防务需求市场成长性迅速,极大地拉动了

1期赵刚等:

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展55

对超高分子量聚乙烯纤维及其防弹无纬布的巨大需

求,最终将极大地促进超高分子量聚乙烯纤维的生

产与发展.

2010年国内,国外各生产厂家超高分子量聚乙

烯纤维及无纬布生产量详见表5.

国内上述几家企业在超高分子量聚乙烯纤维生

产初期,都是利用纤维防弹无纬布来消化本公司生

产的大部分纤维产能（几乎消化了企业初期全部纤

维产能的60%以上）.随着时间推移,企业逐步利

用稳定的纤维产品来做大做强防弹材料市场的同

时,还大量供应全球海洋渔业,特种绳索等民用市

场,取得了高额回报.

表52010年超高分子量聚乙烯纤维及防弹无纬布

实际产量统计表（单位:

吨/年）

8未来市场预测

8.1国际市场

由于超高分子量聚乙烯纤维具有比强度高,比

模量高等众多的优异性能,国外已经广泛应用于军

事,航空,海洋产业,体育运动器械等众多领域,其中

除了军事方面对防弹材料不断放大的大量需求外,

特种绳索市场应用发展尤为迅速,每年以200%的

速率递增,直接推动了纤维产业的高速发展.

全球需求市场不断扩大趋势非常明显.随着全

球环保,低碳经济,人本文化等观念的不断深入,特

别是人类劳动防护意识的提高和世界各国海洋政策

的强化,将带动该类产品需求的大幅增长.

近几年,由于中国超高分子量聚乙烯纤维的产

业化发展,相对打破了国外三家公司的垄断,国产纤

维价格低（2010年平均约30万元/吨左右）,也相应

促进了该种纤维在应用领域的发展,尤其是中东战

争及各国军事装备的发展,使得该纤维在国际,国内

市场一直出现供不应求的局面.

据中国化纤协会专家预测,2010年全世界该种

纤维总产能为18700吨,而2010年需求量应在

5000吨以上,预测2012年以后国际市场年需求量

将超过8万吨以上.未来10年内对该种纤维的年

需求量将达30万吨左右.

在全球范围内,由于地区发展的不平衡和局部

冲突的进一步加剧,特别是"9.11"事件以后,全世

界反恐形势发展迅速,急需大量的个体防护装备,市

场需求急剧上升,超高分子量聚乙烯纤维的主要下

游产品——纤维防弹无纬布更是供不应求,且价格

居高难下.

据国外统计分析数字表明:

目前每年世界范围

对超高分子量聚乙烯纤维防弹无纬布材料的需求至

少在28000吨以上,并以每年25%左右的速度递

增,但全球目前实际供给能力只有4200吨/年左右

（其中包括中国国内该类产品实际供给能力1200

吨/年左右）.所以,全球市场上总体还处于供不应

求的状态,每年的全球供应缺口极大.

8.2国内市场

在国内,未来超高分子量聚乙烯纤维应用较多

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3000吨以上;其次应用于软质防弹衣,防

刺服,防弹头盔等类产品,市场的需求量也非常巨

大.

目前世界上能用于防弹材料的几类高科技纤维

中,我国只有超高分子量聚乙烯纤维实现了规模工

业化.所以目前在世界范围内,包括中国也只能主

要依赖这种纤维进行大规模的军警装备与应用.专

家估计,未来中国对这种纤维无纬布的需求将呈现

不断放大的趋势,将直接推动超高分子量聚乙烯纤

维产业的迅速发展.

随着中国经济健康快速地发展,中国已逐渐成

为全球的超高分子量聚乙烯纤维材料的主要加工供

应中心之一.这个市场格局趋势的日益形成,对国

内从事此类产品的生产供应型企业来说,可能会在

今后的全球供应市场上抢先占有一席之地,历史机

遇十分难得.特别是未来中国逐步靠拉动内需以刺

激经济增长,不断增长的国内采购市场将十分诱人.

根据国内高性能纤维界权威人士对超高分子量

聚乙烯纤维及无纬布的国内市场预测,近几年国内

纤维复合材料2011正

纤维需求量应该在8600吨以上（国内市场预测详

见表6）.

表6超高分子量聚乙烯纤维国内市场需求预测

9产业发展优势及前景

9.1产业优势明显

目前国际市场上超高分子量聚乙烯纤维高端市

场,绝大部分被荷兰的DSM公司,美国的Honey—

well/东洋纺公司以及日本的三井公司所垄断,三家

公司封锁技术,操纵价格（2010年平均售价达66万

元人民币/吨左右）,牟取了高额利润.超高分子量

聚乙烯纤维及其增强复合材料已广泛应用于世界航

天,航空,航海,通讯,体育,缆绳等各个工业领域.

特别是二十一世纪以来,超高分子量聚乙烯纤维由

于其独特的性能,已超越芳纶纤维平纹织物,开始大

量应用在世界军事,警用防弹防护领域,成为该领域

中替代传统钢结构防弹材料中的主流材料.据国外

资料统计,目前国际市场上的超高分子量聚乙烯纤

维60%左右的产量直接或间接应用于个体防护领

域,其中大部分被制造成防弹无纬布出售.

历经十多年的发展,目前国产超高分子量聚乙

烯纤维生产厂家具有稳定供货能力的企业还只有6

家左右.各家生产企业还在不断计划扩充产能,努

力提高纤维质量.由于多种原因,各厂家的纤维技

术发展水平,产品开发力度,生产供应能力,市场营

销手段存在一定的差距,产品质量还在逐步提高,整

个行业的产业整合机会或将提前到来.

超高分子量聚乙烯纤维产品市场发展空间广

阔,产品附加值高,投资收益较大,能迅速提高企业

市场竞争能力.总结十多年以来国内外多家企业的

成功经验,可以发现超高分子量聚乙烯纤维项目具

有巨大的经济价值,社会效益和战略价值,该种纤维

产业具有很强的特色发展优势.

9.2产业前景良好

历史经验表明,国产超高分子量聚乙烯纤维及

无纬布相关下游产品市场潜力极大,成功企业都是

从纤维及无纬布生产技术同时人手,后来发展到开

发纤维系列下游产品,共同满足国内外多类型的,巨

大的市场需求.

在巨大的国际防弹材料市场中,国外超高分子

量聚乙烯纤维及元纬布产品一直供不应求,价格与

我国国产同类产品相差较大.我国超高分子量聚乙

烯纤维及无纬布生产厂家,面临极大的供货机会和

良好发展机遇,它们将逐步确立超高分子量聚乙烯

纤维防弹材料面向全球供货的领先地位,其品质及

国际市场认可度正逐渐提升.

十多年以来,在超高分子量聚乙烯纤维材料这

一

朝阳行业中,国内尚未形成垄断性龙头企业,市场

新格局还在进一步形成之中,必将给后续进入该领

域的中国企业留下"合理调配资源,迅速做大做强,

实现跨越式发展"的有利空间和时机.

参考文献

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