高磊　潘洋　孟秀青　杨刚

摘要：基于预氧纖维的阻燃性能优异和应用广泛，本文归纳了预氧纤维的性能特点和制品形态，总结预氧纤维在防护服、飞机刹车片、飞机座椅、家具、汽车和盘根上的应用，综述了预氧纤维目前的国内外发展现状，重点跟踪国内外预氧纤维下游制品开发的研究进展，分析了当前我国预氧纤维产业发展面对的困难和与国外存在的差距，建议应大力发展大丝束预氧纤维产业以满足国内外日益增长的市场需求。

关键词：预氧纤维；性能；形态；应用；国内外；现状

中图分类号：TS102.5文献标志码：A文章编号：1009-265X（2017）04-0020-04Application and Development Status of Preoxidized Fiber

GAO Lei， PAN Yang2， MENG Xiuqing1， YANG Gang1

（1.Bluestar Fiber（Beijing）Co.， Ltd.， Beijing 101318， China； 2.The China

National Bluestar （Group） Co， Ltd.， Beijing 100029， China）Abstract：Considering the excellent flame retardancy and wide application of preoxidized fiber， this paper is intended to summarize the properties and product forms of preoxidized fiber， and its applications in protective clothing， aircraft brake pad， aircraft seats， furniture， automobile and packing， comprehensively reviews the current development situation of preoxidized fiber in China and abroad， track the research progress of downstream products of preoxidized fiber at home and abroad， and analyze the difficulties of Chinas preoxidized fiber industry and the gap between China and other countries. It is suggested to energetically develop large tow preoxidized fiber industry to meet the growing market demands at home and abroad.

Key words：Preoxidized fiber； property； form； application； at home and abroad； current situation

1预氧纤维的性能特点

a）密度小，吸湿性与棉相近；b）阻燃，高的极限氧指数（40%～60%）；c）火焰中不熔、不软化、不熔滴、不收缩，离火后自熄；d）电气绝缘性好；e）优异的热稳定性；f）低导热率；g）良好的化学稳定性；h）安全、卫生；i）尺寸稳定，摩擦系数低，自润滑；j）良好的纺织加工性能，可与其他纤维混纺加工。

2预氧纤维的制品形态

预氧纤维长丝可加工成短切纤维、卷曲短纤、牵切毛条、纱、织物、毡等制品，其制品形态见表1。

3预氧纤维的应用

3.1防护服

预氧纤维的主要性能包括其特殊的热稳定性和吸湿性，都是阻燃防护服的基本要求。典型的应用是用于消防战士、武警人员、赛车手、钢铁工人和焊接工人等使用的手套和防护服。采用预氧纤维或者混杂纤维制成的防护服，可减少穿着者在消防和热阻方面的压力，衣服重量减至最轻的同时，提高了机动灵活性。将预氧纤维织物经覆铝箔加工后，可使织物具有耐热、防热辐射双重功能。将预氧纤维与芳纶纤维混纺，可提高织物的强度和耐磨性。

3.2飞机刹车片

预氧纤维的最大应用之一是生产碳/碳飞机刹车片的前驱体。采用非织造布工艺生产预制件，然后碳化成碳/碳材料，再经机加工可形成完整的制动盘。所有领先的刹车片制造商如Dunlop Aviation公司使用预氧纤维来提高刹车片预制件的纺织加工性能，可使刹车片承受（有时）1 000 ℃以上的着陆温度。

3.3飞机座椅

预氧纤维及其混纺织物是飞机座椅理想的挡火材料。在飞机发生火灾时，覆盖在聚氨酯泡沫塑料上的预氧纤维有助于延缓熔化其背后的泡沫，减缓了有毒气体的释放，让乘客有更多的时间逃生。

3.4家具

预氧纤维可纯纺或与其他纤维混纺，以增加其耐磨和耐撕裂性，其织物或无纺布，可用于如剧院、疗养院、宾馆、电影院及其他公共建筑中的窗帘、沙发座套。在发生火灾时，预氧纤维有助于延迟点燃或座垫泡沫的熔化和有毒气体的释放，赢得时间的人逃离建筑物。

3.5汽车

与亚麻、羊毛、岩棉和泡沫等结合使用，如与涤纶混纺，可以制成任意形状。预氧纤维在各种汽车零部件如内饰、前挡火板、后备箱内衬上体现了优良的隔热和隔音价值。

3.6盘根

使用预氧纤维为原料编织而得的预氧纤维盘根，不仅耐腐蚀，密封性好，而且可耐260℃的高温，能够满足热水、过热蒸汽、碳氢化合物等介质下阀门、法兰、泵、反应釜等密封的要求。

4预氧纤维的国内外发展现状

4.1国外现状

國外在进行碳纤维产品开发的同时，适时开发了预氧纤维的纺织应用研究。一方面，已经形成成熟的大丝束预氧纤维生产体系，规模较大、技术先进，特别是以ZOLTEK和SGL为典型代表。表2列出了国外从事大丝束预氧纤维生产的厂家，主要集中在美国、日本和德国，产能达7 200 t/年。与国内的预氧纤维相比，国外的大纤维束预氧纤维具有很大的价格优势与市场占有率。另一方面，国外已有众多厂家从事这一纤维下游制品的加工，产品广泛用于军工、航空和民用等领域，如表3所示，预氧纤维的用量正在逐年递增。

4.2国内现状

长期以来，为了满足国防军工、航空航天等领域对碳纤维的迫切需求，中国将碳纤维作为国家战略性重点发展的新材料，一直高度重视其生产和相关课题的研究，并为此制定和颁布了一系列重大政策措施大力支持碳纤维产业的发展。而预氧纤维作为独立的民用产品，长期没有提进议事日程。实际上，预氧纤维对纺织应用具有至关重要的贡献作用，预氧纤维的极限氧指数高达40%～60%，是所有纤维中最高的，用于制做炼钢服、消防服、军队用防化服都是其他纤维无可比拟的。

目前，国内把PAN预氧纤维商品化并且上规模的企业很少，主要的生产企业基本都把预氧纤维作为碳纤维的配套中间产品，产品绝大多数是小丝束预氧纤维，由于小丝束原丝成本高等原因，没有形成把预氧纤维作为商品规模化生产的成本优势。而且由于国内为碳纤维配套的预氧纤维不能满足纺织后加工的性能要求等原因，至今发展缓慢，尚未形成大规模商品化生产。表4中只统计了生产并把预氧丝作为产品销售的厂家产能情况，只生产碳纤维并仅仅把碳纤维作为产品销售的厂家未统计进去，虽然产能很大，达到上万吨，但真正流入下游纺织加工的国产预氧纤维只有不到100 t的规模，厂家主要分布在大连、吉林、山东。

国内预氧纤维的下游应用市场发展较快，表5中列举了5家从事PAN预氧纤维纱线、织物和毡制品的加工企业，主要集中在长三角地区，产品用作飞机座椅用防火织物，消防员、钢铁厂工人的防护服，工业盘根，防火毯，以及碳毡的前驱体。遗憾的是国内下游应用企业多数生产的产品低端，附加值低，没有自主知识产权。企业以加工贸易为主，下游制品主要出口韩国、日本、美国、欧洲等地，基本成为国外用户的加工基地，加工所用的原料PAN预氧纤维绝大部分依赖进口。而国内市场开发不足，市场用量小，飞机C/C刹车片、汽车隔音隔热零部件、活性碳纤维面料等高端产品未有企业涉及。

5预氧纤维下游制品的开发研究

近年来，国内外的科研机构越来越重视预氧纤维下游制品的开发研究，主要围绕着新型阻燃纺织品、C/C复合材料前驱体——预氧纤维预制体、活性碳纤维和预氧纤维复合材料展开。

阻燃面料的开发主要有两种工艺路线：a）使用卷曲机将预氧纤维长丝卷曲短切加工成短纤，再采用棉纺工艺纺制成纱线，然后进行织造；b）使用牵切机将预氧纤维长丝拉断成毛条，再采用毛纺工艺纺制成纱线，然后进行织造。季涛等[2]以德国SGL公司的320 K预氧纤维长丝为原料，选择牵切、并条、粗纱、细纱、织造的工艺流程，成功织造成预氧纤维织物，测得织物的极限氧指数为47.5%，保温率为31.52%，显示出优异的阻燃和良好的保暖性能。张瑜等[3]以PAN预氧纤维、芳纶1414、三维中空阻燃涤纶、丙纶为原料，通过不同质量比混配针刺工艺制成多纤维交织复合毡，结果表明：当混配比为15∶50∶25∶10时，试样的阻燃、耐磨、回弹及透气等性能最佳，能够满足动车、汽车座椅内饰阻燃材料的要求。Chen等[4]开发了一种新型可提供高温的电加热织物，上层以芳纶纤维作为保护层，中层以导电纤维包芯纱织物作为电加热层，下层以预氧纤维作为隔热层。这种织物当上层保护层的温度达到300 ℃时，下层隔热层的温度仅约50 ℃，可用作织物熨斗。与传统熨斗材质相比，该织物升温速度和降温速度都快，可减少传统熨斗降温过程中事故的发生几率。

用作C/C复合材料的前躯体，预氧纤维较碳纤维不仅具有原料成本和生产成本上的优势，而且具有性能上的诸多优势。缪黎丽等[5]采用自行研制的全自动多功能针刺设备生产预氧纤维预制体，经碳/碳沉积工艺得到C/C复合材料，该产品具有收缩率小，含碳量高，不分层，耐磨性能强等优良性能，并且大大降低了生产时间与制作成本。施伟等[6]以接力层叠针刺工艺制备预氧纤维整体毡，再通过碳化、酚醛树脂浸渍、固化、树脂碳化、石墨化处理工艺制备硬质隔热用碳纤维整体毡，结果表明：制备得到的硬质碳纤维整体毡，主要性能明显优于传统软碳毡和层间粘合固化碳毡，其密度仅为0.16 g/cm3，1 500 ℃下的高温热导率达到0.25 W/（m·K），压缩强度达到0.7 MPa。谢骏等[7]以预氧纤维针刺毡为原料，通过碳化、化学气相渗积、高温石墨化处理制备C/C复合材料，结果表明：随着石墨化温度的提高，制品的石墨化度逐渐上升，弯曲强度逐渐下降。当石墨化温度为2 200 ℃时，样品具有较高的石墨化度，同时，弯曲强度保持在102 MPa。Hao等[8]分别用预氧纤维和碳纤维制备C/C复合材料，对比研究其制动性能，结果表明：与由碳纤维制备的C/C复合材料相比，由预氧纤维制备的C/C复合材料具有稳定的摩擦系数，摩擦曲线和制动条件下可接受的磨损损失，展示出优异的制动性能。

聚丙烯腈基活性碳纤维具有独特的吸附性能，应用广泛，作为预氧纤维的深加工产品，其生产工艺技术一直是诸多学者的研究热点。余阳等[9]以PAN预氧纳米纤维毡为原料，水蒸气为活化剂，采用微波碳化、活化法制备活性纳米碳纤维，结果表明：微波碳化、活化法可大幅缩短制备活性纳米碳纤维的工艺时间，制品以微孔为主。当微波功率4 kW，水蒸气流量4 mL/min，活化时间4 min时，制品的比表面积达1 107.4 m2/g，苯酚吸附值达428.1 mg/g，活化收率达47.2%。Lin等[10]以预氧纤维织物为原料，分别采用传统化学活化、传统物理活化和改良化学活化来制备多孔型活性碳纤维，样品经各种高温处理后被用作超级电容器的电极。结果表明：先经20% （wt）室温下浸渍1/3 h，再在900 ℃水蒸气中活化的改良化学活化法制备的样品，较其他两种传统活化法具有更高的比电容（1M H2SO4电解液中173F/g）和更高的放电电容（180 F/g），展示出优异的充放电性能，有望成为超级容器产业化中极有前景的电极材料。

朱登伟等[11]将PAN基预氧纤维粉添加到中间相沥青中，经高温自发泡、碳化、石墨化工艺制备泡沫炭，结果表明：预氧纤维粉对泡沫炭具有明显增强作用，当预氧纤维粉添加量为2%时，泡沫炭密度和抗压强度达到最大值，分别为0.78 g/cm3和7.7 MPa。Ebrahimnezhad等[12]研究预氧纤维和碳纤维混杂增强环氧树脂复合材料的热性能和机械性能，结果表明：随着预氧纤维/碳纤维配比的增加，复合材料的拉伸强度和弹性模量逐渐降低，而断裂伸长率和阻燃性能逐渐提高。复合材料的最大失重率发生在370.6 ℃。

6结语

近年来，随着火灾事故的频发与人们保护意识的加强，国内对阻燃纤维尤其是预氧纤维产品的需求是迫切的。目前，中国军机正处在由三代向四代过渡的更新换代时期，加之伴随着国产大飞机的商业化和国内航空市场的快速发展，飞机C/C刹车片的需求将会放量。而国内预氧纤维产业正处于起步阶段，在生产和产品开发上与国外均有较大差距，生产上以小规模、小丝束为主，下游产品以预氧废丝为原料的低端制品为主，因此，要重点跟踪国内外预氧纤维及其制品开发的最新进展，充分借鉴国外预氧纤维产业发展的成功经验，着力重视和加快低成本大丝束预氧纤维的生产和C/C刹车片等诸多高端下游制品的研究、开发与应用，增强中国预氧纤维产品的国际竞争力。

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