我国纤维新材料发展现状,具有阻燃、抑菌、抗静电等功能的纺织材料

中国制造2025——国家实施制造强国战略的第一个十年行动纲领,已经将新材料作为明确发展的十大重点领域之一。

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材料是制造之骨,没有关键材料的创新就没有中国制造的强大。新材料作为国民经济的先导性产业和高端制造及国防工业发展的关键支撑,是新经济的基石,也是各国国家战略竞争的关键。

在6月20日召开的“中国化纤科技大会”上,中国纺织工业联合会副会长、中国化学纤维工业协会会长端小平做《我国纤维新材料产业技术与核心竞争力建设》报告,介绍了我国纤维新材料发展现状、发达国家纤维产业革命、我国纤维新材料产业的创新发展方向及路径,为行业未来走向提供借鉴。

功能性纺织新材料整体技术进步显着

我国纤维新材料发展现状

具有阻燃、抑菌、抗静电等功能的纺织材料,如硅-氮系阻燃粘胶短纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、阻燃涤纶、阻燃锦纶、导电涤锦复合纤维、导电间位芳纶纤维、铜碳纳米聚酰胺6生态抑菌纤维、聚乳酸生态抑菌纤维、超细旦多孔再生聚酯生态抑菌纤维、异形聚酰胺6生态抑菌纤维等,主要应用于特种军服和消防服、飞机和高铁内饰材料、高档纺织品、医用卫材等领域。

2016年,我国化纤产量4943万吨,占世界化纤总量的74%,化纤占我国纺织纤维加工总量的83%。化纤工业已成为纺织工业整体竞争力提升的重要支柱产业、具有国际竞争优势的产业、战略性新兴产业的重要组成部分。

碳纤维生产打破国外封锁 助力国防军工

1. 先进基础纤维新材料

碳纤维,直径仅有头发丝粗细的十分之一,重量不到钢的四分之一,而拉伸强度却是钢的7至9倍,被誉为“二十一世纪新材料之王”。作为战略性新材料,碳纤维生产关键技术以前一直由日美等发达国家掌握,并长期对我国实施技术、材料、装备的三封锁,我国国防军用碳纤维一直受制于人。

具有阻燃、抑菌、抗静电等功能的功能性纺织材料整体技术进步显著,主要应用于特种军服和消防服、飞机和高铁内饰材料、高档纺织品、医用卫材等领域。

光威复材成功突破了碳纤维生产的关键技术,一举打破国外封锁,填补国内空白。目前,公司生产的碳纤维已批量应用于我国歼击机、运输机、直升机、教练机、预警机等多种机型,成为我国国防军工用碳纤维的主力供应商,为国防装备提供坚强的材料保障。2005年4月,威海拓展纤维有限公司承担的国家“863”计划“CCF-1级PAN基碳纤维原丝中试”项目圆满验收。这次会议的间隙,着名金属学及材料科学家师昌绪非常激动,挥毫写下“发扬光威精神,创建中国碳纤维基地”赠送给光威复材创始人陈光威先生,并深情地对陈光威说:“老陈,你为民族争了光。”

生物基化学纤维及原料核心技术取得新进展,生物基纤维原料生物发酵和分离纯化核心关键技术,高脱乙酰度壳聚糖、褐藻酸盐和竹、麻浆粕的量产化、绿色化生产技术取得突破;壳聚糖纤维、溶剂法纤维素纤维、海藻酸盐纤维和生物基聚酰胺纤维等纺丝、后整理产业化关键原创性技术取得重大突破。

生物基化学纤维及原料核心技术取得新进展

生物基化学纤维总产能达到35万吨/年,其中生物基再生纤维19.65万吨,生物基合成纤维15万吨,海洋生物基纤维0.35万吨。

技术:生物基纤维原料生物发酵和分离纯化核心关键技术,高脱乙酰度壳聚糖、褐藻酸盐和竹、麻浆粕的量产化、绿色化生产技术取得突破;壳聚糖纤维、溶剂法纤维素纤维、海藻酸盐纤维和生物基聚酰胺纤维等纺丝、后整理产业化关键原创性技术取得重大突破。

生物基化学纤维标准体系建设取得质的突破,截止2017年,共计发布实施标准21项,其中有13项行业标准和8项化纤协会团体标准。

规模:生物基化学纤维总产能达到35万吨/年,其中生物基再生纤维19.65万吨,生物基合成纤维15万吨,海洋生物基纤维0.35万吨。

应用领域进一步拓宽,在服装、家纺、卫生材料、航空航天、军工、医用敷料等领域得到广泛应用。

标准化:生物基化学纤维标准体系建设取得质的突破,截止2017年,共计发布实施标准21项,其中有13项行业标准和8项化纤协会团体标准。

2. 关键战略纤维新材料

应用:生物基化学纤维应用领域进一步拓宽,得到广泛应用。例如在贴身内衣、衬衫、休闲运动、特种工装等服装领域;床品、窗帘等家纺领域;面膜、纸尿裤、妇女卫生巾、成人失禁用品等卫生材料领域;航空航天、军工、产业用等领域;医疗绷带、手术缝纫线等医用敷料领域。

高性能纤维产业化技术取得重大突破。我国高性能纤维所有品种稳步发展,品种齐全,产能规模已居世界前列。碳纤维、间位芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维和连续玄武岩纤发展基础更加强化;间位芳纶、连续玄武岩纤维、聚酰亚胺纤维产业发展进程加快;聚芳醚酮纤维、碳化硅纤维研发力度越来越大。

前沿纤维新材料

碳纤维发展的标志性事件

我国前沿纤维新材料品种逐渐扩展,目前以相变储能粘胶智能纤维、光致变色再生纤维素纤维、蓄热聚丙烯腈功能保暖纤维和模拟人体器官用中空纤维等为代表的智能仿生纤维逐渐起步;静电纺纳米纤维、纳米改性聚苯硫醚纤维、生物纳米纤维和碳纳米管在理论研究和应用方面均有所突破,以石墨烯改性聚酯纤维、石墨烯再生纤维素纤维、石墨烯改性聚酰胺6纤维材料为代表的石墨烯材料在纤维应用领域不断扩展。

  1. 千吨级生产线达产

  2. 单个企业年销售量突破 1000 吨

  3. T700级碳纤维实现稳定生产

  4. 首家民用碳纤维生产企业实现盈利

  5. 国产碳纤维用量占国内碳纤维全部加工量的23%

总体来看,目前我国已经成为高新技术纤维生产品种覆盖面最广的国家,高性能纤维产能、潜在消费量世界第一,部分高新技术纤维的生产及应用技术达到国际领先水平,部分满足国防军工、航空航天的需要,常规纤维的多功能化、高性能化和低成本处于领先国家序列。

3. 前沿纤维新材料

大力发展新材料,推动新经济蓬勃发展

我国前沿纤维新材料品种逐渐扩展,目前以相变储能粘胶智能纤维、光致变色再生纤维素纤维、蓄热聚丙烯腈功能保暖纤维和模拟人体器官用中空纤维等为代表的智能仿生纤维逐渐起步;静电纺纳米纤维、纳米改性聚苯硫醚纤维、生物纳米纤维和碳纳米管在理论研究和应用方面均有所突破,以石墨烯改性聚酯纤维、石墨烯再生纤维素纤维、石墨烯改性聚酰胺6纤维材料为代表的石墨烯材料在纤维应用领域不断扩展。

新材料在世界范围内已经步入前所未有的历史发展新阶段。《中国制造
2025》重点领域技术创新绿皮书指出

总体来说,我国已成为高新技术纤维生产品种覆盖面最广的国家,高性能纤维产能、潜在消费量世界第一,部分高新技术纤维的生产及应用技术达到国际领先水平,部分满足国防军工、航空航天的需要,常规纤维的多功能化、高性能化和低成本处于领先国家序列。

先进纺织材料

发达国家纤维产业革命

高端产业用纺织品

目前发达国家正着重于研究和应用纺织新材料,并利用新技术对旧材料实现再开发、再应用,通过新构思再造旧材料的新价值。他们的研究模式也呈现出一定的特点:多/跨学科交叉研究是核心、多/跨领域技术交叉互用是主途径、多/跨领域联合研究开发是大趋势。

2020 年实现可吸收缝合线、血液透析材料的自主产业化,
部分替代国外进口产品;满足热、生化、静电、辐射等功能防护
要求;高温过滤、水过滤产品性能满足各应用领域要求;土工材
料满足复杂地质环境施工要求。2025 年,满足多功能复合防护
要求,同时实现轻质、舒适和部分智能化,过滤产品寿命和稳定
性进一步提升,实现低成本应用和智能化监测预警等功能结合。

1. 美国的智能纺织计划

功能纺织新材料

美国在碳纤维、芳纶等高性能纤维及其复合材料,生物基纤维材料,地毯、非织造布等产业用纺织品领域的优势明显,他们特别重视信息技术和管理信息系统,国家组织、高校、大企业是产业重大核心技术供给和产业化主体,同时

2020 年,阻燃极限氧指数>32,无熔滴,滴水扩散时间< 1s,能耗降低
20%。2025 年高端产品基本实现自给。

国家战略也会推动技术融合。

生物基化学纤维

2. 德国的未来纺织项目

2020 年 PTT 纤维原料 1,3-丙二醇纯度大于 99.5%,成本控制在 1.5
万元/吨以下;聚乳酸耐热温度≥110°C,单体纯度≥ 99.9%,PLA 纤维断裂强度大于
3.5g/d,断裂伸长 30%-35%。2025 年 PLA 纤维生产成本接近 PET 生产成本。

德国纺织目前有三大目标:

大力发展新材料,对提高我国高新技术水平,改造和提升传统产业,实现经济可持续发展,促进国防现代化和增强综合国力都有着重要的意义,做好新经济的每一块基石,助力新经济蓬勃发展,推动实体经济高质量发展。

▲提高资源利用率,推行循环经济;

▲打造以客户为中心的柔性价值链:未来的纺织工厂、数字化制造过程、大规模定制、新的商业模式

▲研发未来的新型纺织纤维材料,强化德国纺织纤维材料的优势地位

德国纺织产业技术创新体系很完备,与纺织相关的大学和研究机构10多个,研发人员超过2000人。以“四大学会”、马克斯·普朗克学会、弗朗霍夫应用研究促进协会、莱布尼茨科学联合会)为代表的国家级研究机构有相关的分领域研究所,重点是纤维新材料。三家全球著名的专业纺织科研机构),前瞻性应用研究,与企业合作密切,具备产业化能力。

3. 日本的纺织技术研究方向

日本的高技术纤维和高端纺织服装技术的领先优势明显,拥有碳纤维、对位芳纶和超高分子量聚乙烯三大高性能纤维研发和生产核心技术;还有聚芳酯、PBO、超高强维尼纶等重要品种的研发技术。装备制造、信息和自动化技术也为纺织产业提供了强大的支撑。

日本大企业是产业技术供给和产业化的主体,例如东丽、帝人等大企业在新合纤领域基本拥有除装备外的从纤维到纺织品较完整的技术创新链。东丽公司拥有从碳纤维到复合材料制品的生产和研发。企业设立有不同性质的研发中心和研究所,东丽、帝人等企业在海外设立有研究所,从事应用基础研究。

在日本,大学会为企业专门提供技术服务,并联合进行项目研发、技术咨询服务。

我国纤维新材料产业的创新发展

未来,我国纤维新材料产业需通过“3+1”重大技术突破、智能制造、绿色制造、品牌质量与提升等路径,实现功能性纤维材料开发与品质提升、生物基化学纤维产业化、高性能纤维产业化和系列化等方向发展。

发展方向:

  1. 功能性纤维材料开发与品质提升

▲大容量聚合纺丝设备开发。开发高效节能的大容量聚酯聚合和熔体直纺的设备和工艺技术,突破锦纶环吹风技术,提升大容量锦纶装备水平,进一步降低常规纤维的生产成本。利用模块化技术实现差别化、功能性纤维的规模化生产。

▲新型纤维品种开发。开发新一代共聚、共混、多元、多组分在线添加等技术,实现深染、超细旦、抗起球、抗静电等差别化纤维的规模化生产。开发新型中空纤维膜以及阻燃、抗熔滴、抗紫外、抗化学品、抗菌等功能性纤维的制备和应用技术,进一步提高化纤产品在工业及家纺领域的应用比例。

▲柔性制造技术。建设化纤高效柔性制造技术创新平台,提高工程技术及产品的开发能力,提升关键核心技术的自主创新水平,系统解决产业发展技术瓶颈。

2. 生物基化学纤维产业化

▲突破生物暨化学纤维关键装备的制造

▲攻克生物基化学纤维及原料产业化技术瓶颈,实现生物基化学纤维规模化生产

▲着力拓展在服装、家纺和产业用纺织品等方面的应用。

3.高性能纤维产业化和系列化

▲进一步提升与突破高性能纤维重点品种关键生产和应用技术

▲进一步提高纤维的性能指标稳定性

▲拓展高性能纤维在航空航天装备、海洋工程、先进轨道交通、新能源汽车和电力等领域的应用。

发展路径:

1.突破“3+1”重大技术

2.“互联网+纺织”是化纤发展新动力

3.绿色制造是未来主流

重点发展三大绿色纤维:

▲循环再利用化学纤维:废弃聚合物和废旧纺织材料经回收后加工制成的纤维,包括再生聚酯纤维、再生丙纶、再生高性能纤维及相关化学纤维的资源化、综合再利用。

▲生物基化学纤维:原料来源广泛,产品可生物降解。原料来源广泛,农、林、海洋等资源生物质储量超千亿吨。纤维部分或全部采用生物质材料,实现“三个替代”。

▲原液着色化学纤维:由含有着色剂的纺丝原液或熔体纺制成的有色纤维。

4.品牌与质量提升

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