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2017-12-16 01:55:21日 13:47:35 | 来源:新华网

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  一、芳纶概述

  芳纶全称“芳香族聚酰胺纤维”, 指85%以上的酰胺键直接连在苯环上的长链合成聚酰胺纤维,连接酰胺键的为芳香环或芳香环的衍生物,具有阻燃、耐高温、高强度、高模量、绝缘等突出性能,是一类新型的特种高分子材料。目前,市场上有两种芳纶实现了广泛的商业化应用和生产,分别是间位芳纶和对位芳纶。其中对位芳纶的技术难度和性能指标远高于间位芳纶。

  1、间位芳纶

  全称“聚间苯二甲酰间苯二胺”(MPIA)纤维,是由间苯二甲酰氯和间苯二胺合成的有机高分子纤维。由于酰胺键连接在两个苯环1号和3号位置,因此我国称之为芳纶1313.

  间位芳纶具有长久的热稳定性,这是其最重要的特性,可在200℃高温下长期使用不老化,具有极佳的尺寸稳定性。间位芳纶具有本质阻燃性,其极限氧指数值(LOI)>28%,在空气中不会自燃、融化,也不会产生熔滴,离焰自熄。间位芳纶的电绝缘性优良,以其制成的绝缘纸耐击穿电压可达20kV/mm;间位芳纶耐腐蚀性能非常优越,耐辐射的性能也十分优异。此外,间位芳纶还具有低刚性、高延长性,能用常规纺织机械进行加工。

  2、对位芳纶

  全称“聚对苯二甲酰对苯二胺”(Ppta)纤维,是由对苯二甲酰氯和对苯二胺合成的有机高分子纤维。由于酰胺键连接在两个苯环的1号和4号位置,因此我国称之为芳纶1414或芳纶-II.

  对位芳纶最突出的性能是其高强度、高模量和突出的耐热性。对位芳纶的拉伸强度是钢丝的6倍,玻璃纤维和高强尼龙工业丝的2~3倍;拉伸模量是钢丝和玻璃纤维的2~3倍,高强尼龙工业丝的10倍;其密度却只有钢丝的1/5左右。对位芳纶具有良好的抗冲击、耐腐蚀和抗疲劳性能,被喻为“防弹纤维”。对位芳纶的耐热性能还要高于间位芳纶,在200℃高温下经历上百个小时,仍能保持原强度,在560℃高温下不分解、不熔化。在环保方面,对位芳纶结构稳定不易降解的特性也决定了其存在后期难以回收处理影响环境的问题。

  二、芳纶的制造工艺

  1、间位芳纶的制造工艺

  间位芳纶的主要生产原料是间苯二甲酰氯和间苯二胺。

  1-1、间位芳纶聚合原料的制备

  间苯二甲酰氯制备方法主要有氯化亚砜法、酯氯化法和间二甲苯侧链氯化水解法。氯化亚砜法是以间苯二甲酸与氯化亚砜为原料,反应制得间苯二甲酰氯;酯氯化法是以间苯二甲酸二甲酯与氯气反应制得间苯二甲酰氯;间二甲苯侧链氯化水解法是间二甲苯在光照条件下通入氯气,生成1,3-二(三氯甲基)苯,然后1,3-二(三氯甲基)苯水解生成间苯二甲酰氯。

  间苯二胺制备方法主要有间二硝基苯铁粉还原法和间二硝基苯加氢还原法。间二硝基苯铁粉还原法是以间二硝基苯、铁粉和盐酸为原料,通过氧化还原反应将间二硝基苯还原为间苯二胺;间二硝基苯加氢还原法是在镍的催化作用下,将间二硝基苯进行加氢还原,从而制得间苯二胺。

  1-2、间位芳纶聚合物的制备

  间位芳纶是由间苯二甲酰氯和间苯二胺缩聚而成,有低温聚合法、界面缩聚法、乳液聚合法、气相聚合法。其中,低温聚合法和界面缩聚法比较常见。

  低温聚合法:在搅拌下把间苯二胺溶解在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中,冷却至0℃左右,然后在搅拌下加入间苯二甲酰氯,并升温到50~70℃进行反应,反应过程中会生成HCl,反应时应加入Ca(OH)2对其进行中和,使溶液成为DMAc-CaCl2溶液系统,对其浓度加以调整即可用于湿法纺丝。此法消耗的溶剂少,操作步骤简单,生产效率高,所以低温缩聚法被广泛采用。

  界面聚合法:将间苯二甲酰氯溶于四氢呋喃(THF)溶剂中,形成有机相;将间苯二胺溶于碳酸钠水溶液中,形成水相,然后在强烈搅拌下把有机相加入到水相中,使有机相和水相在两相界面快速发生缩聚反应。生成的聚合物沉淀出来,经过过滤、洗涤、干燥后得到固体产物。界面聚合法反应速度快,生成的聚合物的相对分子质量高,可以配制高质量的纺丝原液,但由于此法工艺复杂,设备要求高,从而导致投资较高。

  1-3、聚合物的纺丝工艺

  间位芳纶的纺丝工艺主要有干法纺丝与湿法纺丝两种。

  干法纺丝:将聚合物溶于二甲基甲酰胺或DMAc中,再加入助溶剂(如LiCl),制得的纺丝原液经过滤后,进入喷丝孔喷出纺丝。初生纤维带有大量无机盐,需经多次水洗,再在300℃左右的温度下进行4~5倍的牵伸。此法可制得长丝或短纤维。

  湿法纺丝:纺前原液经纺丝板得到原丝,原丝进入含DMAc和CaCl2的凝固浴中,浴温保持在60℃。得到的初生纤维经水洗后,在热水浴中拉伸2.73倍,接着在130℃下进行干燥,然后在320℃的热板上再拉伸1.45倍而制得成品。干法纺丝制得的间位芳纶的结构更加致密,空洞较小而且孔径均匀。

  2、对位芳纶的制造工艺

  对位芳纶的主要生产原料是对苯二甲酰氯和对苯二胺。

  2-1、对位芳纶聚合原料的制备

  对苯二甲酰氯制备方法主要有SOCl2法、光气法、三氯化磷法、五氯化磷法、酯氯化法等。SOCl2法是在少量二甲基甲酰胺或吡啶的催化作用下,将对苯二甲酸用SOCl2酰化,得到对苯二甲酰氯,收率为84%。SOCl2法具有反应条件温和、产物易分离、反应完全、收率高等优点,因此比其他方法更有优势。

  对苯二胺制备方法主要有对硝基苯胺还原法及聚酯法。对硝基苯胺还原法:以对硝基苯胺、铁粉和盐酸为原料,用铁粉和盐酸将对硝基苯胺还原制得对苯二胺。聚酯法:此法分三个步骤,首先是胺化,在加热条件下向聚酯和乙二醇混合物中通入氨气,得到对苯二甲酰胺;然后是氯化,将Cl2通入对苯二甲酰胺水悬浮液中,得到N,N-二氯对苯二甲酰胺;最后是霍夫曼重排,将氯化产物与水和NaOH混合发生霍夫曼重排反应,生成对苯二胺。虽然此法步骤较多,但其原料可用聚酯(或废聚酯),引起研究者关注。

  2-2、对位芳纶聚合物的制备

  对位芳纶须在无水条件下进行缩聚反应。首先先将对苯二胺溶于含5%CaCl2的N-甲基吡咯烷酮体系中,冷却至-10℃以下。然后,在搅拌下加入等摩尔的对苯二甲酰氯,在双螺杆反应器中进行缩聚,缩聚过程控温在0~20℃。最后,聚合物经过沉析、分离、洗涤、干燥后制得。对位芳纶缩聚过程中的关键技术是原料纯度的控制和分析,确保对苯二甲酰氯和对苯二胺等摩尔反应,双螺杆反应器的结构以及材质的选定。

  2-3、聚合物的纺丝工艺

  由于对位芳纶的熔融温度高于分解温度,所以不可采用简单的熔融法进行纺丝,纺丝需采用干喷湿纺纺丝工艺。将聚合物进行干燥后溶解在浓硫酸中,形成均一的原液。同时,要缩短溶解时间,以保证聚合物性能,控制聚合物的降解和磺化。配成的对位芳纶纺丝原液具有溶致性向列型液晶材料的特征,当其经脱泡、过滤和计量泵计量后通过纺丝孔时,大分子在高切应力作用下取向,然后进入约10℃的凝固浴中成形,再经过碱洗、水洗、干燥,即可得到对位芳纶。干喷湿纺法的纺丝速度可达每分钟数百米,也是现有纺丝方法中技术难度最大的一种。

  三、国内外芳纶产业现状

  1、国外芳纶产业现状

  自20世纪60年代由美国杜邦公司成功地开发出芳纶纤维并率先产业化后,在40多年的时间里,芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程。国外芳纶纤维无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。在芳纶纤维生产领域,对位芳纶纤维发展最快,产能主要集中在日本、美国和欧洲。

  1-1、美国杜邦

  间位芳纶最早就是由美国杜邦公司研制成功,1967年实现商业化生产,商品名为Nomex。目前,杜邦公司的间位芳纶一直保持在全球第一的位置。

  美国杜邦公司也是对位芳纶的发明者和最主要的生产商。杜邦公司于1972年实现对位芳纶产业化,商品名为 Kevlar。到2009年,杜邦公司对位芳纶的产能已经达到28600 t/a,占世界总产能的近53%。2007 年,杜邦公司投资5亿美元在美国南卡罗莱纳州建了Cooper River新厂,并于2011年年底建成投产,使全球 Kevlar 产能增加25 %,按此推算,Kevlar总产能已超过35800 t/a.

  1-2、日本帝人

  1972年,日本帝人公司实现了间位芳纶的商业化,商品名为 Conex,其结构与美国杜邦的Nomex基本相同,但是生产规模远不如Nomex.2013年7月,日本帝人宣布研制出一种新型间位芳纶,投资约45亿日元在泰国大城府省建设生产装置,该装置建成后使帝人的全球间位芳纶的年产能增加近一倍。

  日本帝人公司的对位芳纶有两种牌号,分别是Technora和Twaron。其中Technora是帝人公司自己开发的产品,在1987 年实现产业化,是一种对位芳纶的三元共聚体纤维。Twaron是2000年帝人公司收购荷兰 Akzo Nobel公司的产品,通过四次扩建,到2009年Twaron的产能已扩大到26450t/a.

  1-3、韩国科隆、韩国晓星

  韩国科隆公司于1979 年开始开发对位芳纶,2005年实现产业化,商品名为Heracron.2010 年韩国科隆公司对位芳纶产能达到 2600 t/a。韩国晓星公司于 2009 年实现对位芳纶的产业化,2010 年生产能力达到 1000 t/a。但是这两家公司对位芳纶的产品与世界一流公司相比,性能有明显差距。

  2、国内芳纶产业现状

  中国芳纶纤维产业虽然起步较晚,但发展速度较快。一方面生产技术进步快,国内企业不仅成功地实现了间位芳纶短纤的产业化,而且在长丝以及对位芳纶领域取得了突破性进展。另一方面是国内市场发展快,中国芳纶纤维属于新兴市场,年增长速度超过了30%。

  2-1、泰和新材

  泰和新材横跨氨纶、间位芳纶、对位芳纶、化工原料等产业领域,是国内领先的高性能纤维研发和生产基地,是我国化纤行业参与全球高技术竞争的标杆企业。2008年,公司A股股票在深交所挂牌上市,证券代码002254.

  1999年,泰和新材正式开始建设中国第一个间位芳纶工程项目,并于2001年5月引进了俄罗斯技术和设备,于2004年5月成功实现间位芳纶的工业化生产,产品质量可与世界一流公司媲美,全球第二大间位芳纶制造供应商,仅次于美国杜邦公司。2009年10月投资2.5亿元开始建设产能为1000t/a的对位芳纶产业化项目,2011年6月实现产业化。目前,该公司TAPARAN(泰普龙)对位芳纶总产能达1000 t/a.

  2-2、圣欧芳纶

  圣欧芳纶是国内间位芳纶第二大生产企业,全球间位芳纶第四大生产企业。专业研发与生产芳纶1313纤维为基础的耐高温、阻燃、绝缘新材料,产品广泛应用于纺织、机电、高速列车、航空、航天、船舶制造和新能源等行业。是国内唯一实现芳纶纸规模化生产的公司,芳纶绝缘纸产能位居全球第二。

  2-3、常熟兆达

  常熟兆达拥有自主知识产权的发明专利和新型实用专利23项,也是迄今为止,国内第一家用国产原料、国产设备实现对位芳纶正常连续化生产、销售的千吨级产业化的企业。产品先后成功应用于中国人民解放军搜爆、排爆服、新型装甲武器防弹材料的国产化;天宫一号与神舟飞船的发射对接。

  2-4、中蓝晨光

  中蓝晨光是国内研究和开发芳纶最早的企业之一。在研发的过程中积累了丰富的实践经验,申请了多项专利技术,具有独立知识产权。2009年开始建设产能为1000 t/a对位芳纶项目,并于2011年建成投产。

  3、全球芳纶行业市场发展情况分析

  全球来看,芳纶的主要供应商依次为美国杜邦、泰和新材、日本帝人,美国杜邦在全球处于垄断地位。泰和新材为全球第二大芳纶供应商,产品性能指标和差别化程度与美国杜邦比较接近,是美国杜邦的主要竞争对手。

  2016年全球芳纶总产能接近13万吨,其中对位芳纶产能约8.2万吨,间位芳纶产能约4.8 万吨,主要分布于北美、欧洲和亚洲地区。全球芳纶行业生产企业主要为美国杜邦和日本帝人,两者在间位芳纶市场的产能占比达63%,在对位芳纶市场的产能占比达77%,而我国芳纶行业发展较晚且生产技术相对落后,2016年我国的芳纶产能仅占全球总产能的15%。国内间位芳纶市场供过于求,尤其是低端产品市场竞争激烈,与此相反,国内对位芳纶生产装置尚不成熟,仅泰和新材生产线较稳定,因此市场供不应求,需要进口。但随着国内对位芳纶产量的增长,近几年进口依赖率正逐步降低。

  四、芳纶的应用领域

  芳纶已广泛应用于国防军工、航天航空、轨道交通、安全防护、环境保护和电子信息等新兴产业领域,市场前景广阔。

  1、航空航天

  减重对于航空和航天飞行器而言具有特殊意义,航天器每减重1kg,可节省相关费用3万美元,采用先进复合材料是实现上述目标的唯一途径。芳纶增强复合材料具有高比强度、高比模量和抗耐疲劳性,以及独特的材料可设计性,用作大型客机、商务飞机、固体火箭发动机壳体和卫星等结构部件,可有效减轻自重,增加有效负荷,节省大量动力燃料。

  2、先进兵器装备

  芳纶纸蜂窝结构复合材料用于战机主旋翼、尾翼等主承力结构,战车车体和战车履带,以及雷达天线吸波前缘等关键部位,可集优越的抗弹性、轻量化、隐身和结构于一体,用于我国新一代现金武器装备的研发和生产,可显著提高作战性能,增强我军作战能力。

  3、先进个体防护装备

  对位芳纶纤维织物具有高抗张强度、高弹性模量和低密度的性能特点,能迅速将子弹的冲击能量吸收并分散转移,避免造成“钝伤”,因而防护效果显著, 被誉为“终极防弹材料”。广泛应用于防弹衣、防弹头盔、搜排爆服和军警作训服等个体防护装备,能有效地提高军队的快速反应和防护能力。间位芳纶可用于制作消防服、森警灭火战斗服、电焊服、炉前服、石油工装和防电弧服等防护装备,芳纶防护服的推广和使用将极大提高我国消防和军警的装备水平,减少伤亡,保障劳动者和士兵的生命财产安全。

  4、重要工业领域

  4-1、汽车领域

  芳纶作为轮胎骨架材料应用于乘用轮胎的胎体、冠带层和带束层等部位,以及工程子午线轮胎和载重子午线轮胎的胎体和带束层,实现轮胎减重30%,降低滚动阻力,减少油耗3-5%,被誉为“绿色轮胎”;用于汽车胶管、轮胎、内饰、刹车片和密封件,以及汽车挡泥板、保险杠和减振缓冲器等部件,可大大降低车身自重,减少油料消耗,实现节能和环保;芳纶也可用作输油管、水管和气管的增强骨架材料,增强耐疲劳性能和延长使用寿命。

  4-2、轨道交通

  与铝蜂窝结构材料相比,芳纶纸蜂窝具有轻质高强、耐冲击、耐腐蚀和低形变等特点,用作轨道交通运输工具的舱壁、地板、行李架等大刚性次受力结构部件的夹层芯材,是轨道交通新材料的代表。对位芳纶增强复合材料具有比碳纤维复合材料韧性更强的特点,常用于动车中耐冲击、受力要求较高的关键部件制造;采用芳纶纸用作动车牵引电机和变压器的绝缘材料,可显著提高电机抗过载能力;间位芳纶制成的阻燃织物用于列车的座椅、地毯,可有效减少火灾发生时对人员的伤害。

  4-3、新一代通信技术

  芳纶纤维可以增加光缆的刚性和强度,广泛应用于室内外光纤和电力缆的增强件,对推动我国新一代通信技术的发展起到重要作用。2012年7月,我国将宽带升级工程上升为国家战略,即“宽带中国”战略。在未来三年,中国对光纤宽带的投资额将超过1500亿元,对高模量对位芳纶的需求将急剧增加。

  5、环保领域

  目前,我国水泥年产量约8亿吨,占全球总产量的40%;钢铁年产量约2.4亿吨,占全球总产量的25%。这两个行业在生产过程中均产生大量高温粉尘,对耐高温除尘袋的性能和数量都提出了迫切要求。芳纶通过针刺、水刺方式制成非织造布除尘袋作为高温粉尘过滤基材,在持续过滤250℃干热烟气1000h条件下,其强力保持率可达60%以上,能有效滤除冶炼、水泥、公路建设、沥青搅拌、精细化工、食品等生产过程产生的高温有害气体,减少粉尘排放和大气污染,成为我国有效治理PM2.5危害的解决方案之一。

  五、国家政策导向

  芳纶是我国发展航天航空和国防军工必不可少的重要材料,也是支撑我国轨道交通、先进汽车、环保、新能源和通讯技术等产业发展的关键基础材料。提升国产芳纶及其复合材料的技术水平,推动应用工程化水平,对推动我国战略性新兴产业的发展、保护生态环境和公众健康都具有重要意义。

  最近工业和信息化部、发展改革委、科技部、财政部联合制定《新材料产业发展指南》(工信部联规〔2016〕454号)正式发布。《新材料产业发展指南》(下称指南)提出,国家新材料产业发展重点在于突破一批新材料品种、关键工艺技术与专用装备,并不断提升新材料产业国际竞争力。该指南指明三大发展方面,包括先进基础材料,关键战略材料,前沿新材料。《指南》提出:“紧紧围绕新一代信息技术产业、高端装备制造业等重大需求,以耐高温及耐蚀合金、高强轻型合金等高端装备用特种合金,反渗透膜、全氟离子交换膜等高性能分离膜材料,高性能碳纤维、芳纶纤维等高性能纤维及复合材料,高性能永磁、高效发光、高端催化等稀土功能材料,宽禁带半导体材料和新型显示材料,以及新型能源材料、生物医用材料等为重点,突破材料及器件的技术关和市场关,完善原辅料配套体系,提高材料成品率和性能稳定性,实现产业化和规模应用。”

  六、芳纶市场需求分析

  市场需求(大量需求)=潜在客户量(市场大)×购买力(有能力)×购买欲望(强烈)

  1、潜在客户量分析

  芳纶作为重要的新型材料,受到国家政策的支持,未来10年,国内的汽车、通信、高速铁路、航空和防护等领域将快速发展,芳纶的需求呈现旺盛的局面。与此同时,国外下游加工企业向国内进行产业转移,也会刺激国内芳纶的需求增长。

  2、购买力分析

  从产业链上看,芳纶行业与下游芳纶应用企业关系稳定,下游客户的现金流充足特性决定了其购买力水平高。以泰和新材为例,根据巨潮资讯网信息披露年报显示2016年、2015年应收账款周转率分别为9.66、10.75,应收账款平均周转天数35天,上述指标数据同比其他行业处于较高水平,这表明企业收款速度快、客户的付款力强。

  3、购买欲望分析

  芳纶纤维具有良好的绝缘性、耐酸耐碱、耐高温及柔软轻便的性能,凭借其高强、高模、低缩、低密度的优点,在航空航天、国防、电子通讯等高科技领域是不可缺少的基础材料。随着芳纶的推广应用,尤其是在民用品领域的推广,近两年来,加工企业尤其是橡胶加工企业对芳纶应用的热情开始高涨。

  七、新三板芳纶应用企业

  新三板企业中从事芳纶应用的有两家:

  公司成立于2002年4月,是国家高新技术企业,拥有多项发明专利和适用性专利。公司一直致力于开发和销售各种新型环保高分子材料、电线电缆材料和现代农业捆扎材料。工厂位于江西省赣州市上犹县上犹工业园,并在东莞设分公司和仓库。公司检测设备齐全,通过ISO9001:2008质量体系资格认证,产品都过了SGS公司检测的环保要求。公司30%以上产品出口欧美、日本、东南亚和非洲,同国内外很多知名上市公司都有合作。

  公司是在烟台泰和新材集团芳纶纸项目基础上组建而成的国有股份制企业,专业生产销售芳纶纸及其衍生产品。公司研发实力雄厚,多次承担山东省科技发展计划项目,致力于芳纶纸开发及应用的不断研究,已形成一整套具有自主知识产权的芳纶纸制造技术,从原料的研发到造纸的产业化及各种规格产品的不断推出,民士达的每一次突破都带动中国芳纶纸进入一个新的阶段。

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【纠错】 [责任编辑: 苏一珺]
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