陳 龍 李增俊3 潘 丹

1. 東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620；2. 東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；3. 中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)， 北京 100022

1 聚丙烯纖維簡(jiǎn)介

1.1 發(fā)展歷程

國(guó)外聚丙烯纖維產(chǎn)業(yè)起步較早，技術(shù)體系和應(yīng)用領(lǐng)域完善。1954年，意大利科學(xué)家Natta首次合成等規(guī)聚丙烯。1957年，意大利Montecatini公司率先實(shí)現(xiàn)等規(guī)聚丙烯的工業(yè)化生產(chǎn)，商品名稱為Meraklon，之后美國(guó)和加拿大相繼開(kāi)始聚丙烯纖維的研發(fā)。20世紀(jì)60年代以來(lái)，聚丙烯短纖維、膜裂纖維被相繼開(kāi)發(fā)，日本不斷投入研發(fā)高性能、功能性聚丙烯纖維，拓寬了聚丙烯纖維在裝飾和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，短程紡絲技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展提高了聚丙烯纖維的產(chǎn)量，歐美國(guó)家興起細(xì)旦聚丙烯纖維的開(kāi)發(fā)，拓展了其在運(yùn)動(dòng)服、內(nèi)衣、高檔服裝的應(yīng)用；與此同時(shí)BCF地毯紗也開(kāi)始使用。80年代，茂金屬催化劑研制成功；美國(guó)、西歐混凝土增強(qiáng)聚丙烯纖維取得了進(jìn)展，開(kāi)始將其用于建筑行業(yè)；BCF一步法設(shè)備、空氣變形機(jī)、復(fù)雜紡絲設(shè)備和無(wú)紡設(shè)備開(kāi)始涌現(xiàn)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，聚丙烯纖維品種更加多樣化。美國(guó)和西歐各國(guó)研制出阻燃、抗靜電、導(dǎo)電、電熱、生物吸收降解等新型差異化功能性聚丙烯纖維，極大拓展了聚丙烯纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。我國(guó)聚丙烯纖維產(chǎn)業(yè)起步較晚，品種和應(yīng)用領(lǐng)域不甚完善，20世紀(jì)70年代開(kāi)始著手聚丙烯纖維的研發(fā)，1982年建成第一個(gè)聚丙烯纖維實(shí)驗(yàn)廠，20世紀(jì)末相繼開(kāi)發(fā)出了細(xì)旦、阻燃、抗菌、抗紫外、抗老化、遠(yuǎn)紅外等差別化聚丙烯纖維(圖1)。

圖1 國(guó)內(nèi)外聚丙烯纖維發(fā)展歷程

1.2 性能特點(diǎn)

聚丙烯纖維(表中記為丙綸)性能顯著，相比其他纖維，聚丙烯纖維具有最質(zhì)輕、最保暖、最疏水等纖維性能(表1)。聚丙烯纖維密度僅為0.91 g/cm3，在5大合成纖維中最小，比聚酯纖維輕約34%；聚丙烯纖維保溫率為36.49%，在5大合成纖維中最高，是滌綸的1.7倍；聚丙烯纖維標(biāo)準(zhǔn)回潮率幾乎為零，疏水導(dǎo)濕性能最好，制備的細(xì)旦聚丙烯纖維手感好、質(zhì)地柔軟、光澤柔和，芯吸效應(yīng)使其具有導(dǎo)濕排汗的特點(diǎn)。同時(shí)，聚丙烯纖維具有較好的耐酸堿和耐熱老化性能，經(jīng)適當(dāng)改性處理可以制得性能優(yōu)異的耐氣候、耐熱、耐酸堿聚丙烯纖維[5](表2)，在混凝土、土工布、衛(wèi)材、運(yùn)動(dòng)保暖服裝、地毯領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。

表1 幾種纖維基本物理性能[6]

表2 幾種合成纖維的耐候、耐熱、耐酸堿性能

2 聚丙烯纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1 聚丙烯纖維產(chǎn)量和需求現(xiàn)狀

(1) 聚丙烯壟斷格局被打破，民營(yíng)及合資企業(yè)快速發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)聚丙烯纖維產(chǎn)業(yè)的上游屬于寡頭壟斷行業(yè)，供應(yīng)相對(duì)集中，企業(yè)以中石化、中石油為主，民營(yíng)及合資企業(yè)為輔，這造成聚丙烯原料發(fā)展滯后。例如：1999年，纖維級(jí)聚丙烯單價(jià)5 800～6 300元/t，聚酯8 200～8 500元/噸[2]；2018年，聚丙烯全年均價(jià)約9 480元/t，聚酯全年均價(jià)約7 600元/t，聚丙烯價(jià)格不降反升，這突顯了聚丙烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的尷尬局面。壟斷格局打破后，眾多民營(yíng)資本進(jìn)入，2015年我國(guó)聚丙烯產(chǎn)能達(dá)到2 311.00萬(wàn)t，是2010年產(chǎn)能的2.4倍，年均增長(zhǎng)率達(dá)到10%以上。2018年，新增兩條生產(chǎn)線均隸屬民營(yíng)及合資企業(yè)，截至年底產(chǎn)能達(dá)1 128.00萬(wàn)t，占總產(chǎn)能的48.79%，將近一半。而以傳統(tǒng)油制烯烴為代表的中石化、中石油產(chǎn)能繼續(xù)與去年保持一致，占比和產(chǎn)量雙雙下滑，分別降至原來(lái)的34.70%和16.62%(表3)[3]。

表3 2018年我國(guó)按企業(yè)歸屬劃歸統(tǒng)計(jì)的聚丙烯產(chǎn)能情況[3]

(2) 我國(guó)聚丙烯纖維國(guó)際分工不足，與其他主要合成纖維品種差距明顯。2016年，全球合成纖維產(chǎn)量約5 969.00萬(wàn)t，我國(guó)約4 127.00萬(wàn)t，占全球合成纖維產(chǎn)量69.00%；全球聚酯纖維產(chǎn)量5 202.00萬(wàn)t，我國(guó)約3 800.00萬(wàn)t，占全球聚酯纖維產(chǎn)量約73.00%；全球聚烯烴纖維產(chǎn)量約549.00萬(wàn)t，我國(guó)約102.00萬(wàn)t，占比僅19.00%(圖2)，與聚酯纖維差距較大。

圖2 2016年全球聚烯烴纖維產(chǎn)量分布

2018年，我國(guó)化纖產(chǎn)量5 011.00萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)7.68%；聚酯纖維產(chǎn)量最高，占比超過(guò)80.00%；其次是錦綸，產(chǎn)量占比為6.59%，其他合成纖維的產(chǎn)量占比不高(圖3)。聚丙烯纖維企業(yè)產(chǎn)量為34.78萬(wàn)t，占比約0.70%，同比增加2.31%；其中聚丙烯長(zhǎng)絲產(chǎn)能約占聚丙烯纖維產(chǎn)能的50.00%，實(shí)際產(chǎn)量占比則更少。2012年，全球纖維級(jí)聚酯產(chǎn)量約4 330.00萬(wàn)t，占總纖維級(jí)聚合物產(chǎn)量約75.00%，纖維級(jí)聚丙烯產(chǎn)量約243.00萬(wàn)t，占比約4.00%，遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)聚丙烯纖維約0.700%的占比，國(guó)內(nèi)聚丙烯纖維產(chǎn)業(yè)明顯發(fā)展滯后(圖4)。

圖3 2018年中國(guó)化學(xué)纖維產(chǎn)量分布及聚丙烯纖維產(chǎn)能分布[3]

圖4 2012年全球纖維原料產(chǎn)量分布[4]

(3) 聚丙烯纖維需求結(jié)構(gòu)逐步改善，服用纖維需求增長(zhǎng)明顯。2018年全球產(chǎn)業(yè)用聚丙烯纖維占聚丙烯纖維總量約30.00%，各領(lǐng)域需求拓展充分。2012年，我國(guó)聚丙烯纖維的服用、家用、產(chǎn)業(yè)用的比例分別為5.00%、34.00%和61.00%；到2014年，服用、家用、產(chǎn)業(yè)用的比例分別為12.00%、39.00%和49.00%，服用聚丙烯纖維需求較少但增幅較大，產(chǎn)業(yè)用聚丙烯纖維需求繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.2 聚丙烯纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀

(1) 產(chǎn)業(yè)用聚丙烯纖維需求大，過(guò)濾與分離用、建筑用聚丙烯纖維快速增長(zhǎng)。2018年，全球產(chǎn)業(yè)用聚丙烯纖維占聚丙烯纖維總量約30.00%，2015年我國(guó)聚丙烯工業(yè)絲產(chǎn)能15.50萬(wàn)t，主要用于安全網(wǎng)帶、工業(yè)吊帶、柔性集裝袋、土工布、工業(yè)過(guò)濾布、繩纜、光纜、高壓消防水帶、輸送帶、工業(yè)縫紉線、篷帆布、塑編袋等領(lǐng)域；土工布在現(xiàn)代基建設(shè)計(jì)和維護(hù)技術(shù)中起到重要作用，如固定、排水、保護(hù)、隔離等多樣化功能，預(yù)期年增產(chǎn)速率可達(dá)9.00%[5]。2017年中國(guó)過(guò)濾與分離用紡織品產(chǎn)量為130.90萬(wàn)t，較上一年增長(zhǎng)8.20%，是產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)中增長(zhǎng)最快的類別[6]。2018年，全球建筑用聚丙烯纖維占聚丙烯纖維總量約14.00%，由于聚丙烯纖維優(yōu)異的力學(xué)性能和耐化學(xué)性能，其作為混凝土增強(qiáng)纖維時(shí)可顯著改善混凝土的抗裂和強(qiáng)度。2017年中國(guó)土工用紡織品產(chǎn)量為99.60萬(wàn)t，較上一年增長(zhǎng)6.80%。建筑用紡織品產(chǎn)量為75.00萬(wàn)t，較上一年增長(zhǎng)7.00%[6]，預(yù)計(jì)未來(lái)土工用紡織合成材料行業(yè)還將以11.50%的平均速度增長(zhǎng)[7]，這將為聚丙烯纖維產(chǎn)業(yè)帶來(lái)較大的市場(chǎng)需求。2015年國(guó)內(nèi)丙綸短纖產(chǎn)能約24.00萬(wàn)t，主要應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域，用于生產(chǎn)非織造布、衛(wèi)生材料、過(guò)濾材料、填充材料、汽車內(nèi)飾等。

(2) 民用家紡用發(fā)展平穩(wěn)。2015年，普通聚丙烯長(zhǎng)絲產(chǎn)能約為52.00萬(wàn)t，產(chǎn)銷基本平衡，主要用于箱包帶、箱包面、裝飾等傳統(tǒng)行業(yè)；我國(guó)PP-BCF產(chǎn)能約12.00萬(wàn)t/a，占BCF總產(chǎn)能的70.00%，消費(fèi)市場(chǎng)主要集中在賓館、飯店、寫(xiě)字樓及汽車領(lǐng)域[3]。

2.3 聚丙烯纖維技術(shù)現(xiàn)狀

2.3.1 聚丙烯原料

茂金屬催化劑[8-9]和氫調(diào)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了聚丙烯樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量和加工性能的可控，可以生產(chǎn)窄分布、熔點(diǎn)可調(diào)的多規(guī)格聚丙烯樹(shù)脂產(chǎn)品。新型過(guò)渡金屬催化劑的發(fā)展也實(shí)現(xiàn)了丙烯與乙烯醇等極性單體的共聚反應(yīng)，可制備帶有羥基等極性基團(tuán)的親水性聚丙烯[10-12]。

2.3.2 超細(xì)聚丙烯纖維

高熔指、窄分布、低波動(dòng)聚丙烯樹(shù)脂制備技術(shù)的突破，促進(jìn)了細(xì)旦、超細(xì)旦聚丙烯纖維的開(kāi)發(fā)，但用熔融紡絲方法制備線密度低于0.55 dtex的超細(xì)旦聚丙烯纖維和細(xì)旦功能性聚丙烯纖維仍是一項(xiàng)技術(shù)難題。目前，一般采用溶液靜電紡絲方法制備納米聚丙烯纖維，但有害溶劑和紡絲效率一直是其工業(yè)化發(fā)展的制肘。最近發(fā)展的Zetta紡絲方法[13]和熔體靜電紡絲方法[14]克服了溶液靜電紡絲需要使用有害有機(jī)溶劑、效率低等問(wèn)題，可在現(xiàn)有熔紡/熔噴裝置上進(jìn)行技術(shù)改造，并實(shí)現(xiàn)電紡多組分聚合物共混體系，成本低、效率高，是聚丙烯超細(xì)纖維工業(yè)化生產(chǎn)的可行方案。

2.3.3 功能性聚丙烯纖維

聚丙烯纖維的功能化改性是拓展聚丙烯纖維產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域和提升附加值的重要手段。現(xiàn)有方法，一是充分發(fā)揮聚丙烯質(zhì)輕保暖的本征屬性，通過(guò)共混改性或后整理等技術(shù)，賦予聚丙烯纖維抗菌和智能調(diào)溫等功能，以滿足其在內(nèi)衣、保暖衣、防寒服飾、衛(wèi)生醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用需求；或通過(guò)靜電紡、共混制孔劑和表面接枝改性技術(shù)，制備超細(xì)、多孔和表面功能化的聚丙烯纖維，增強(qiáng)聚丙烯纖維的吸油性能。二是彌補(bǔ)聚丙烯纖維的性能缺陷，使用極性添加劑、阻燃劑和紫外吸收劑對(duì)聚丙烯進(jìn)行染色、抗靜電、阻燃和抗紫外線性能改性。

2.3.4 工程用聚丙烯纖維

聚丙烯纖維不親水，在混凝土中分散不好、與混凝土結(jié)合不強(qiáng)，這限制了聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土性能的提高。通過(guò)聚丙烯纖維的表面親水改性[15]或調(diào)控纖維形貌結(jié)構(gòu)[16]，可以顯著改善聚丙烯纖維在混凝土中的分散和結(jié)合，提高混凝土的防凍、抗裂等性能。國(guó)內(nèi)關(guān)于聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的研究開(kāi)展較晚，而且是隨著國(guó)外聚丙烯纖維在國(guó)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目中的大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)始的，目前的研究主要集中在聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的物理和力學(xué)性能的研究方面[17]。

2.3.5 聚丙烯纖維再生技術(shù)

聚丙烯長(zhǎng)絲生產(chǎn)過(guò)程中的廢料(如過(guò)渡絲等)可以回收制備較深色的長(zhǎng)絲，而市場(chǎng)上可再生聚丙烯料雜質(zhì)較多，不建議用來(lái)紡制長(zhǎng)絲。聚丙烯再生技術(shù)以物理回收為主，逐步向高值化回收發(fā)展。我國(guó)每年的廢舊編織袋接近300.00萬(wàn)t。廢舊聚丙烯存量大、回收率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重。物理再生技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、成本低，但再生制品的性能下降較大，不宜制作高檔聚丙烯制品[18-19]。最近英國(guó)Nextek公司開(kāi)發(fā)了一種食品級(jí)再生聚丙烯回收純化技術(shù)[20]，可制備食品級(jí)、醫(yī)療級(jí)聚丙烯材料，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。天津石化精華公司將再生聚丙烯功能化，制備了遠(yuǎn)紅外再生聚丙烯短纖維，提升了再生聚丙烯纖維的品質(zhì)和附加值[21]?；瘜W(xué)再生技術(shù)是將廢舊聚丙烯催化裂解回收單體再聚合生產(chǎn)聚丙烯的一種方法，由于催化劑價(jià)格高和壽命短，設(shè)備投資大，使得回收利潤(rùn)很低，難以推廣。

2.3.6 聚丙烯纖維裝備技術(shù)

隨著化纖行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和裝備發(fā)展，聚丙烯纖維紡絲工藝技術(shù)也從傳統(tǒng)的低紡速、二步法工藝技術(shù)逐漸發(fā)展到以高速紡、一步法工藝技術(shù)為主。全取向絲(FDY)一步法紡絲工藝技術(shù)具有流程短、占地小、強(qiáng)度高和效率高等特點(diǎn)，大部分企業(yè)都使用了自動(dòng)化控制的FDY一步法紡絲工藝設(shè)備。國(guó)內(nèi)丙綸FDY一步法紡絲工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)日趨成熟，并且相應(yīng)的紡絲裝備也由最初進(jìn)口美、德設(shè)備，發(fā)展為國(guó)產(chǎn)裝備。但我國(guó)的紡絲設(shè)備還與國(guó)外先進(jìn)的紡絲設(shè)備存在一定差距，國(guó)產(chǎn)設(shè)備配置、技術(shù)水平、成本效率還低于國(guó)外設(shè)備。

3 聚丙烯纖維的發(fā)展思考

聚丙烯纖維原料的長(zhǎng)期壟斷將被打破，呈現(xiàn)出當(dāng)年聚酯纖維發(fā)展的勢(shì)頭。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)聚丙烯纖維的原料被寡頭壟斷，供應(yīng)相對(duì)集中。同時(shí)我國(guó)聚丙烯纖維生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備水平與國(guó)外存在不少差距。這種國(guó)內(nèi)寡頭壟斷生產(chǎn)原料、國(guó)外企業(yè)壟斷技術(shù)的格局，造成我國(guó)聚丙烯纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限，國(guó)際分工不增反降。隨著聚丙烯行業(yè)政策的放寬，聚丙烯生產(chǎn)企業(yè)的多元化發(fā)展，特別是民營(yíng)進(jìn)入煉化速度加快，勢(shì)必要消化烯烴，加快聚丙烯產(chǎn)能的增長(zhǎng)，聚丙烯生產(chǎn)企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)也愈來(lái)愈激烈，這也將促使新型聚丙烯原料的開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本，為新型聚丙烯纖維的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。

從聚丙烯纖維應(yīng)用現(xiàn)狀看，聚丙烯纖維在產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域需求最大。隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的推進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，基礎(chǔ)工程對(duì)產(chǎn)業(yè)用纖維的需求將大大增加?！耙粠б宦贰毖鼐€存在較多的凍土、鹽堿地、沙地和高溫差等極端地理和氣候環(huán)境，而聚丙烯纖維優(yōu)異的耐熱、耐寒、耐酸堿性能能很好地滿足混凝土在極端地理和氣候環(huán)境的應(yīng)用，這將助推聚丙烯纖維在這一領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。中共十八大報(bào)告提出了我國(guó)的海洋戰(zhàn)略，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)。海洋戰(zhàn)略涉及近岸開(kāi)發(fā)，如海港、碼頭、堤壩、跨海大橋的開(kāi)發(fā)及防護(hù)等；以及遠(yuǎn)海空間拓展，如圍海造島等。聚丙烯纖維質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、透水好、抗微生物性能好，聚丙烯工業(yè)絲和土工布在穩(wěn)固堤壩和防水土流失方面有巨大的優(yōu)勢(shì)。安全環(huán)保一直是社會(huì)生產(chǎn)生活關(guān)注的焦點(diǎn)，使用聚丙烯纖維生產(chǎn)的環(huán)保、水利和電工安全工程用的工程土工布，以及冶金、食品、環(huán)保等行業(yè)的濾布，具有優(yōu)越的透水性、過(guò)濾性、耐用性，可普遍應(yīng)用于溶劑、油漆、染料、礦物油等物質(zhì)的過(guò)濾和水利、電站基礎(chǔ)工程。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保安全要求的提升，聚丙烯工程用纖維將迎來(lái)更多發(fā)展。聚丙烯纖維在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用還有較大潛力。全民運(yùn)動(dòng)的興起也促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)服裝行業(yè)的持續(xù)蓬勃發(fā)展，推動(dòng)聚丙烯纖維服裝用絲市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。同時(shí)，聚丙烯纖維生產(chǎn)工藝具有單耗低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，隨著高熔指、窄分布、熔點(diǎn)可調(diào)的多規(guī)格聚丙烯樹(shù)脂和親水功能性聚丙烯樹(shù)脂生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，舒適、保健、安全、衛(wèi)生功能性聚丙烯纖維的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用必然能夠拓展其在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用，改善聚丙烯纖維的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，聚丙烯纖維原料將迎來(lái)民營(yíng)化高速增長(zhǎng)；“一帶一路”和海洋戰(zhàn)略等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)聚丙烯纖維提出更多需求和更高的性能要求；加之，近年來(lái)聚丙烯原料制備技術(shù)和高強(qiáng)、超細(xì)旦、阻燃等差別化功能性聚丙烯纖維制備技術(shù)的進(jìn)步，都將支撐聚丙烯纖維在工業(yè)絲、土工布和高檔服飾等領(lǐng)域的應(yīng)用，聚丙烯纖維具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>