在“鏈接世界 共創(chuàng)未來”為主題的第二屆中國國際供應(yīng)鏈促進博覽會上，中國中化集團展出了一系列創(chuàng)新技術(shù)驅(qū)動的民用航空材料，其中包括多款民用航空輪胎，成為展會的一大亮點。尤其引人注目的是，中國中化集團首次為空中客車A320飛機裝配的國產(chǎn)子午線輪胎，該輪胎已于去年11月底前成功完成試飛。

 

標(biāo)題圖：高性能芳綸纖維©互聯(lián)網(wǎng)

據(jù)工作人員介紹，民用航空輪胎是民用航空產(chǎn)業(yè)鏈上的關(guān)鍵配套部件，關(guān)乎飛機起降安全。中國中化基于熱力耦合構(gòu)型優(yōu)化、關(guān)鍵橡膠材料模量匹配優(yōu)化等創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)的高性能民航子午線輪胎，為民用航空產(chǎn)業(yè)鏈提供了堅實保障。目前，中國中化已具備為中國商飛、空客、波音多種機型提供輪胎的能力，研制的產(chǎn)品實現(xiàn)中國商飛、空客、波音三大主機廠主力機型全覆蓋。

航空輪胎的輪胎骨架材料芳綸簾子線是由對位芳綸纖維加工而成，較尼龍簾子線強度增加3倍，熔點提高2倍，模量提升10倍；具有耐摩察、耐腐蝕、阻燃等優(yōu)異性能，能夠大提高安全性，保持輪胎尺寸穩(wěn)定性并延長使用壽命，滿足極環(huán)境下的需求；廣泛應(yīng)用于航空、高性能汽車、賽車輪胎等產(chǎn)品的補強。

那么，除了應(yīng)用于航空輪胎，高性能的芳綸纖維及其復(fù)合材料還能應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？目前市場情況如何？未來的發(fā)展趨勢又將怎樣？本文一探究竟。

 

芳綸纖維的概念與特性

芳綸纖維是由芳香族化合物為原料經(jīng)縮聚紡絲制得的合成纖維，主要分為聚對苯二甲酰對苯二胺纖維（對位芳綸）和聚間苯二甲酰間苯二胺纖維（間位芳綸）兩種類型。

芳綸纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、阻燃、絕緣等優(yōu)異特性。其強度是鋼絲的5-6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2-3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的五分之一左右。在高溫環(huán)境下，芳綸纖維能保持良好的性能，長期使用溫度可達200℃以上，短期使用溫度可達500℃。此外，芳綸纖維還具有良好的耐化學(xué)腐蝕性，能抵抗大多數(shù)酸、堿、有機溶劑的侵蝕。

芳綸纖維并不會直接作為最終產(chǎn)品，要做成織物或相應(yīng)的復(fù)合材料才能使用。由芳綸纖維還可以制備成芳綸紙再與樹脂等材料復(fù)合，制備芳綸紙蜂窩等結(jié)構(gòu)材料。

 

圖1：第二屆中國國際供應(yīng)鏈促進博覽會中化集團展臺©中化集團

近年來，芳綸纖維在橡膠增強領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。芳綸纖維的獨特性能主要源于其分子鏈中的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了纖維出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。將芳綸纖維與橡膠基質(zhì)相結(jié)合，不僅可以顯著提高橡膠制品的拉伸強度、撕裂強度和耐磨性，還能有效改善其耐熱性和耐老化性能，從而延長制品的使用壽命。有報道稱，我國的對位芳綸纖維方面有20%用于汽車橡膠工業(yè)（圖1）。

 

芳綸纖維的多元市場應(yīng)用

目前，由于芳綸纖維的優(yōu)異性能使其在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要包括以下幾個方面：

◆ 航空航天領(lǐng)域
芳綸纖維制成的芳綸蜂窩具有輕質(zhì)、高強、隔音、隔熱、阻燃等優(yōu)異性能，芳綸蜂窩作為芯材與面板結(jié)合制成夾層結(jié)構(gòu)后，在航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，能夠減輕飛行器的重量，提高燃油效率，增強結(jié)構(gòu)可靠性。例如，在波音787和空客A350等新型客機上，大量采用了芳綸蜂窩復(fù)合材料，使飛機的性能得到了顯著提升。而我國的C919、殲20等也開始采用國產(chǎn)芳綸蜂窩復(fù)合材料減重。

 

圖2：芳綸在輪胎中的應(yīng)用©中化集團

此外，由芳綸制成的簾子布、線繩、紗線、帆布、整體帶芯、直經(jīng)直緯織物等可用作輪胎、動力傳動膠帶、物料輸送膠帶、膠管的骨架材料。芳綸與橡膠復(fù)合主要通過混煉、成型、硫化等工藝，讓芳綸纖維均勻地分散在橡膠基質(zhì)中，形成具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料（圖2）。制成的復(fù)合材料能使輪胎降低層薄，減輕重量，容易散熱，減小形變，減輕滾動阻力，提升高速運轉(zhuǎn)性能，使輪胎的使用壽命相應(yīng)延長，而且耐刺扎性能大大提高。尤其是飛機在起降過程中，輪胎會承受巨大的摩擦力和熱量，芳綸纖維的耐熱性能能夠確保輪胎在高溫環(huán)境下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和性能可靠，防止輪胎因過熱而出現(xiàn)變形、老化等問題，從而保障飛行安全。因此是制作飛機輪胎的優(yōu)選材料。

在航天器制造領(lǐng)域，芳綸復(fù)合材料同樣具有不可替代的地位。例如，在航天器的熱防護系統(tǒng)中，芳綸復(fù)合材料可用于制造隔熱材料，有效保護航天器內(nèi)部設(shè)備免受高溫的影響。在航天飛機的表面隔熱瓦中，就采用了芳綸纖維增強的陶瓷復(fù)合材料，能夠承受再入大氣層時的高溫，保障航天飛機的安全返回。

常作為芳綸復(fù)合材料的基體，如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。樹脂能夠?qū)⒎季]纖維或芳綸紙等增強材料黏結(jié)在一起，使復(fù)合材料具有良好的整體性和成型性。同時，樹脂還能賦予復(fù)合材料一定的耐腐蝕性、絕緣性和抗老化性能。例如，環(huán)氧樹脂具有較高的強度、良好的黏結(jié)性能和耐化學(xué)腐蝕性，與芳綸纖維復(fù)合后可用于制造航天器的各種結(jié)構(gòu)部件。如衛(wèi)星的框架、太陽能電池板的支撐結(jié)構(gòu)等。這些部件需要具備高強度、低密度的特點，以滿足航天器在發(fā)射和運行過程中的要求。

此外，金屬基材可以提供良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗輻射性能，與芳綸纖維或芳綸紙結(jié)合后，能夠綜合兩者的優(yōu)點。例如，將芳綸與薄鋁板交疊熱壓后形成的超混復(fù)合層板，具有極高的比模量和比強度，抗疲勞壽命長，可用于航天器的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位。

◆ 軍事國防領(lǐng)域
芳綸纖維及復(fù)合材料是制造防彈裝備、防刺服、防爆服、軍事通訊設(shè)備等軍事裝備的重要材料，能夠為士兵提供有效的防護，提高軍隊的戰(zhàn)斗力。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，一場戰(zhàn)爭中，士兵的傷亡率約 75% 是由炮彈、手榴彈、地雷和炸彈的碎片導(dǎo)致的，而芳綸防彈裝備的使用能有效減少此類傷害。

 

圖3：防彈頭盔©互聯(lián)網(wǎng)

一般來說，防彈頭盔用芳綸纖維主要編織成平紋織物（圖3）。制備時，通常將芳綸無緯布層與樹脂層交替疊放，然后經(jīng)模壓制成。其中，復(fù)合材料中芳綸無緯層的重量百分含量一般為70%-90％，樹脂層的重量百分含量為10%-30％。在防彈頭盔方面，我國自主研制的QGF02型芳綸頭盔，在54式手槍51式標(biāo)準彈、5米射距、420-450米/秒彈速垂直入射條件下，抗彈率可達100%，V50值為630米/秒。一頂QGF02型芳綸頭盔總重量在1.45千克以下，相比美國同類型的 “凱芙拉（由杜邦公司出品的對位芳綸纖維）”頭盔更輕。

在軍事領(lǐng)域，芳綸復(fù)合材料還可用于制造導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動機殼、壓力容器、駕駛艙、潛艇、防彈裝甲車、防彈運鈔車等。例如，瑞典的AT-4單兵火箭發(fā)射筒，由芳綸增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造。

 

圖4：芳綸復(fù)合材料在汽車內(nèi)飾件上的應(yīng)用©互聯(lián)網(wǎng)

◆ 汽車工業(yè)及交通領(lǐng)域
芳綸復(fù)合材料可用于制造汽車或列車的車身、底盤、發(fā)動機零部件、制動系統(tǒng)等，有助于減輕汽車重量，提高燃油經(jīng)濟性和安全性。還可用于汽車或列車的座椅、儀表盤、門板等內(nèi)飾件的制造（圖4）。芳綸蜂窩材料可以提供良好的支撐和緩沖性能，提高座椅的舒適性；同時，其隔音、隔熱性能有助于改善車內(nèi)的乘坐環(huán)境。

正如前文提到的，芳綸纖維也應(yīng)用于高端汽車輪胎。例如，目前米其林、固特異、倍耐力等公司都已采用芳綸1414作為輪胎簾子線。米其林公司開發(fā)的采用芳綸纖維增強的輪胎，具有更好的耐磨性和抗穿刺性能。

隨著新能源汽車的興起，芳綸蜂窩材料可用于新能源汽車電池包的外殼或內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)。它能起到隔熱、防火的作用，提高電池包的安全性，防止電池在發(fā)生碰撞或過熱時出現(xiàn)起火、爆炸等危險情況。
 
芳綸纖維的主要生產(chǎn)力量

芳綸行業(yè)具有投資門檻高、技術(shù)難度大、生產(chǎn)設(shè)備要求高的特點，整個行業(yè)的供給高度集中。全球芳綸纖維的主要生產(chǎn)企業(yè)包括美國杜邦公司、日本帝人公司、韓國科隆公司、中國的泰和新材、中化高性能纖維材料有限公司等。這些企業(yè)在芳綸纖維的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面具有較強的實力和豐富的經(jīng)驗。杜邦產(chǎn)能最大，帝人和泰和新材排名第二和第三，位于全球第一梯隊。

美國杜邦公司是世界上最大的芳綸纖維生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)品種類齊全，質(zhì)量優(yōu)良，其芳綸產(chǎn)品包括 Nomex（間位芳綸）和Kevlar（對位芳綸），在世界芳綸領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。日本帝人公司也是芳綸纖維領(lǐng)域的重要企業(yè)，形成規(guī)格完整的產(chǎn)品系列，其生產(chǎn)的對位芳綸纖維在全球市場上具有較高的知名度和競爭力。此外，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維、聚酰亞胺（PI）纖維、聚對苯撐苯并雙噁唑（PBO）纖維等，均已形成一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模，在美國、日本的航天、交通、橋梁、防彈防燃服以及競技體育等特殊領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

中國芳綸纖維行業(yè)起步較晚，由于技術(shù)上的封鎖，我國有很長一段時間依賴高價進口。隨著科技的進步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國逐漸開始自主研發(fā)和生產(chǎn)芳綸纖維材料。2011年，我國煙臺泰和新材研發(fā)的間位芳綸、對位芳綸成功推向市場，至此我國正式實現(xiàn)了芳綸的工業(yè)化生產(chǎn)。近年來，我國的芳綸產(chǎn)業(yè)逐漸崛起中國已是世界上能夠自主生產(chǎn)芳綸的國家之一，擁有自主研發(fā)的芳綸產(chǎn)業(yè)基地，逐步接近國際水平。

據(jù)報道，2024年9月，中芳維科華（山東）新材料有限公司的對位芳綸采用自主研發(fā)的工藝流程，打破了美國杜邦在對位芳綸生產(chǎn)工藝技術(shù)方面的壟斷，入選國家“十四五”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。當(dāng)前我國已實現(xiàn)投產(chǎn)企業(yè)數(shù)量較少，主要由泰和新材和中化國際等大型企業(yè)主導(dǎo)，行業(yè)市場集中度也處于較高水平。從中國芳綸纖維企業(yè)競爭梯隊看，泰和新材位列第一梯隊；中化國際、中芳特纖、超美斯新材等位列第二梯隊。此外，還有神馬股份、藍星中國晨光、中芳維科華等生產(chǎn)企業(yè)。

中國的泰和新材是國內(nèi)最早從事芳綸纖維研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)之一，經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為國內(nèi)芳綸纖維行業(yè)的龍頭企業(yè)。其產(chǎn)品線覆蓋芳綸纖維等多種高性能材料，服務(wù)于防彈材料、航空航天、汽車制造、電子電器和個人防護裝備等多個高端領(lǐng)域。泰和新材以其產(chǎn)品的高強度、高模量、耐高溫和耐化學(xué)腐蝕等卓越性能，贏得了市場的廣泛認可。

目前，泰和新材的氨綸產(chǎn)能居全球第5位，是國內(nèi)最大的對位芳綸（芳綸1414）生產(chǎn)商，擁有較大的產(chǎn)能規(guī)模，對位芳綸產(chǎn)能居全球第 3 位；間位芳綸（芳綸1313）產(chǎn)能規(guī)模在國內(nèi)也處于領(lǐng)先地位，間位芳綸、芳綸紙產(chǎn)能居全球第2位。同時，泰和新材積極拓展國際市場，其產(chǎn)品已經(jīng)出口到多個國家和地區(qū)，產(chǎn)能規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量得到了國際客戶的認可。

2024年，泰和新材計劃對位芳綸產(chǎn)能達到2萬噸/年；其總裁遲海平之前在接受采訪時表示力爭2030年芳綸產(chǎn)能躍居全球第一，氨綸產(chǎn)能躋身全球前三，使公司成為全球芳綸行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、國際高性能纖維產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)。

中化高性能纖維材料有限公司成立于2019年，是中國中化旗下企業(yè)。它是國有控股的小微企業(yè)，也是高新技術(shù)企業(yè)和專精特新 “小巨人” 企業(yè)，擁有省級企業(yè)技術(shù)中心。公司專注于高性能纖維新材料生產(chǎn)，是國內(nèi)規(guī)模較大的對位芳綸制造商，目前已建成年產(chǎn)5000噸的對位芳綸項目，二期年產(chǎn) 2500 噸的對位芳綸擴建項目正在建設(shè)中。

據(jù)中國化信統(tǒng)計，預(yù)計到2025年，全球間位芳綸總產(chǎn)能將達到約6.9萬噸/年，其中中國3.8萬噸/年，產(chǎn)能占比將達到55%。全球?qū)ξ环季]總產(chǎn)能將達到12.5萬噸/年，其中中國3.6萬噸/年，產(chǎn)能占比將達到29%。

 

芳綸復(fù)材的未來發(fā)展：技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用拓展

未來，通過優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)設(shè)計、改進紡絲工藝等手段，不斷提高芳綸纖維本身的強度、模量和耐熱性；同時在復(fù)合材料制備技術(shù)上尋求突破，探索更先進的復(fù)合工藝，讓芳綸纖維與各類基體材料實現(xiàn)更均勻的分散和更緊密的結(jié)合，挖掘復(fù)合材料在不同工況下的性能極限，滿足更多高端領(lǐng)域的嚴苛要求。

芳綸復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?，除了傳統(tǒng)的航空航天、軍事國防、汽車工業(yè)等領(lǐng)域外，還將在新能源、5G 通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。例如，在新能源汽車電池隔膜、電機絕緣材料、5G 通信基站天線等方面，芳綸復(fù)合材料都具有很大的應(yīng)用潛力。

中國作為全球芳綸生產(chǎn)的重要力量，擁有泰和新材、中化高性能纖維材料有限公司等行業(yè)龍頭企業(yè)。這些企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)能擴張上雙輪驅(qū)動，不僅推動了國內(nèi)芳綸復(fù)合材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展，還在全球供應(yīng)鏈中發(fā)揮著越來越重要的作用。它們積極參與國際競爭與合作，不斷提升中國芳綸復(fù)材在全球市場的影響力，引領(lǐng)行業(yè)朝著更高水平、更廣闊的方向邁進。

 

來源：榮格-《國際塑料商情》

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