行业动态

造纸术,是我国引以为傲的古代四大发明之一。然而,我国却曾因“一张纸”,被西方国家卡过脖子,当初更是以20的成本,卖给我们2800,最终被我们突破,这就是芳纶纸!


01 芳纶纸是纸吗
芳纶纸不是普通的纸,而是一种高分子聚合材料,和传统的纸张有着很大的区别,主要是使用沉析纤维和短切纤维所组成的。虽然看上去跟纸张区别不大,却是世界三大高性能纤维材料之一,全称为“聚芳酰胺纤维纸”。

制造芳纶纸,需要先得到芳纶高分子纤维。根据分子结构的不同,芳纶纸主要分为两大类:芳纶1313(PPTA)和芳纶1414(PMTA),也就是日常所说的间位芳纶纸和对位芳纶纸。

两种芳纶纤维的化学结构

两种芳纶纸虽然结构相似,可在性能上,其实差异是非常大的,就说间位芳纶纸,(又称为芳纶1313),其有着出色的耐高温绝缘性,为此属于高品质功能性纤维的一种,同时这也是应用最多的一种纸。从外观看,这就是一种柔软洁白、纤细蓬松且富有光泽的纤维,看上去虽然和普通的化纤没有什么两样,可内里的结构以及性能早已经超乎寻常。

而间位芳纶纸最大的特点就是耐高温了,拥有持久的热稳定性,就算在220℃的高温下,进行长期使用,还能保持不老化,在超过370摄氏度的强温之下,才开始进行分解,直到400摄氏度左右,才开始碳化,怪不得不怕普通的小火。

由于其的各种特性,所以应用也变得越来越广,而普及程度也变高了,更是成为了军事、工业、科技等诸多领域当中不可或缺的重要基础材料,中国就是最大的芳纶纸市场,庞大的需求下,却没有太大的定价权。

这是因为全球芳纶纸市场几乎被美日垄断,在国际市场上占到了一定数量多额市场份额,可是我们却无法自己进行定价,为此芳纶纸的成本,也一度成为了中国工业等诸多领域的一个瓶颈,就说由芳纶纸制作而成的异形件,其成本大约是在20元,可是日本三菱卖给我们,却需要2800元,就连出口数量都受到管控,导致我国多个领域无法按照正常进展进行发展,得看他国脸色,只能说这垄断是真的很难受的。

不仅进口价格高昂,就连核心技术的创新,也都受到了影响,要知道这样的材料掌握在他人手中,也等于将半条命递到了别人手中,并且芳纶纸的应用越多,这个问题也就显的越发重要。

从芳纶纤维到芳纶纸的制作流程

02 芳纶纸的应用
芳纶纸从诞生之日起,就被认为是材料科学上的重要里程碑,号称“材料届的黄金珠宝”。芳纶纸继承了芳纶纤维的优点,强度是钢丝的五六倍,韧性是钢丝的两倍,但质量只有钢丝的五分之一左右。芳纶纸的化学和物理稳定性也非常高,耐酸碱腐蚀、阻燃耐高温、抗裂耐冲击、耐磨变形小、阻燃绝缘好,使用寿命长…这些优异的性能,让芳纶纸成为当之无愧的“纸黄金”。
1)军事领域
冷战期间,芳纶纸首先被美国投入到航天以及军事领域,直至冷战结束后,芳纶纸才被用于民用领域。

目前美国、英国等发达国家的防弹衣其实就是用芳纶纸做的。美国军人戴的一种头盔也大量采用了芳纶纸材料。由于芳纶纸防高温、耐酸碱、硬度比钢还要硬,质量比常规的钢盔轻了三分之二,因此是做头盔最合适的材料。

防弹衣、头盔的轻量化可以大大提高军队的快速反应能力和杀伤力。这对保护士兵和提高单兵作战的移动能力具有很大帮助。

还有大家都知道得美国B-2隐身轰炸机,它的隐身能力非常厉害,可以安全地穿过各种常规防空系统,它的机翼蒙皮就采用了芳纶纸材料。由于芳纶纸质量轻、宽频透波性好、高强度、高模量,采用以芳纶纸为芯材的蜂窝结构复合材料制作隐身材料,可以有效地躲避敌方雷达的探测,提高飞行器的生存力和战斗力。
可以说,芳纶纸是一种重要的国防装备基础材料,它的地位相当于汽车用的润滑油,没有它许多高科技军事设备无法发挥更强的效果。
2)航空航天领域
芳纶纸是目前航空航天等领域最常用到的特种纸材料。现代国与国之间的竞争已经瞄准了太空资源,火星移民计划、月球移民计划、火星资源勘探计划等都需要进行火箭发射。在航天器研发建造过程中,使用芳纶纸这种材料可以极大地减轻火箭的整体质量,每减轻1千克,火箭成本就会降低100万美元。此外,航天飞机在返回地球冲击大气层的时候需要耐1000℃的高温,航天飞机的耐热保温材料其实也是由芳纶纸做的。芳纶纸作为一种阻燃耐热材料成为不二之选。

最近,马斯克的SpaceX公司把火箭回收做得风生水起,猎鹰9号火箭已经成功发射回收17次。说起来,马斯克还得感谢芳纶纸的出现。

正在落地回收的猎鹰9号火箭

3)民用领域

在民用领域中,芳纶纸的用途就更多了。

  • 电子领域:芳纶纸因其高强度、高温度和较好的耐磨性,常用于电子领域,用于制作电子绝缘材料、电池隔膜等。芳纶纸的高温度性能可以满足电子行业对高温度材料的要求,其高强度能够提供电池隔膜的强度和稳定性。

  • 汽车领域:芳纶纸在汽车领域的应用也非常广泛,其高强度、高温度和较好的耐磨性使其成为汽车行业中的优秀材料。芳纶纸可以用于汽车制动系统中的制动垫、制动盘等部件,可以承受高温高压的制动环境,同时具有良好的耐磨性,保证了制动性能的稳定性。

  • 船舶领域:芳纶纸在船舶领域的应用也比较广泛,如用于船舶隔热、隔音、电缆保护等方面。芳纶纸的高温度性能、高强度和耐腐蚀性能可以满足船舶领域对材料性能的要求。

  • 建筑领域:芳纶纸在建筑领域中也有一定的应用,如用于制作防火墙、防火门等。芳纶纸在防火领域中具有优异的性能,可以承受高温高压的火焰环境,同时具有较好的防火性能,保证了建筑物的安全性。

芳纶纸的广泛应用,不仅推动了相关领域的技术进步,更带动了一系列产业链的发展。它的生产和应用,涉及到化工、材料、机械、装备制造等多个产业,拉动了整个产业链条的升级和转型,为社会创造了巨大的经济价值。

在未来的发展中,芳纶纸将继续在更多领域展现其无限的可能。而中国,将通过不断的科技创新,进一步拓宽芳纶纸的应用范围,推动相关产业的快速发展,为国家的科技进步和经济社会发展贡献更多的动力。

  03走出技术囚笼

上世纪60年代,美国杜邦公司在成功完成芳纶纤维的产业化后,在新产品的开发、生产规模以及市场占有率都处于世界领先地位。芳纶纸也在杜邦的全面优势之下,很快开发出更高性能的二代和三代产品。怀揣最新的技术,美国政府以各种奇葩理由将芳纶纸列入对华禁运名单。后面美国即使稍微放开,但也仅限于质量最差的初代产品,完全满足不了军用,只能民用。

更可恶的是,一张成本不足20元的A4纸大小的芳纶纸,垄断价格一度高达2800元。由于美日等国对芳纶纸的核心生产技术进行了严格的垄断与掌控,全球市场上对此材料的供应始终在他们的操控之下。这种情况下,中国作为芳纶纸的主要消费国,长期处于技术受限的状态,不得不以高价购买这一材料,由此为美日带来了数十亿的利润。

其实,这种看似简单的交易背后,实则是一场关于技术壁垒与经济利益的较量。

美日等国通过保护芳纶纸的生产技术,实现了在全球市场的稀缺供应,从而使得芳纶纸的价格能够得到有效提升。它们利用中国对芳纶纸的巨大需求,通过设置高昂的价格获取了丰厚的经济回报。而中国,在芳纶纸的广泛应用领域,包括航空、国防等关键领域,对此材料的需求日益增长。

由于芳纶纸的强度和韧性极高,被广泛用于制作高性能的机械设备和防护装备。然而,由于长期未能掌握其核心生产技术,中国在全球市场上只能被动接受其他国家设置的高价,从而导致巨额的资金流出。

值得注意的是,这些高价购买的芳纶纸并非完全用于直接的消费或使用,部分芳纶纸还会用于科研领域,用于探索芳纶纸的更多可能性和寻求其生产技术的突破。这是一场看似简单交易的背后,却涉及到的深远的科技和经济战。

好在,国家早就意识到这个问题。1972年我国便开始发展芳纶纤维技术,不仅对科研项目大力资助,也多次对企业给予政策支持。但由于缺乏技术人员和核心技术,发展之路一直很坎坷。

在解决“卡脖子”技术的关键时刻,我们不得不提到两位科学家。

第一个取得突破的是号称“现代蔡伦”的陕西科技大学张美云教授。她的团队深耕高性能芳纶纤维和纸基功能材料近40年,发表200多篇高水平学术论文,获得40多项国家发明专利,最终为我国芳纶纸的出现奠定坚实基础。

2007年,中国国产的芳纶纸进入国际市场,打破杜邦公司的垄断。

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张美云教授

张美云教授实现追赶,华南理工大学的胡健教授则完成超越。

在国家政策的扶持下,胡健教授及其团队深入研究芳纶纸的生产工艺,探索其在材料科学、化学工程和工艺装备等方面的核心技术。他们希望,通过自己的努力,让中国在这场关乎国家利益和发展的科技竞赛中,实现从跟跑到并跑,再到领跑的华丽转变。

2008年,在华南理工大学的资助和支持下,胡健教授组建团队,次年开始攻克新一代芳纶纸技术的研究。

2016年,中国中车与华南理工大学签署合作协议,合作开发芳纶纸蜂窝等异形件。

2018年,胡健教授团队研制的国产芳纶纸正式面世。

芳纶纸蜂窝

新一代国产芳纶纸完全超越美国杜邦公司前两代产品,与杜邦公司的第三代产品比肩,其硬度、柔韧性和重量等性能都比第一代芳纶纸提高了一倍。我国正式打破西方科技强国高达50年的芳纶纸技术壁垒
从此,中国有了可与美日企业相媲美的芳纶纸技术,并借此一举成为继美国、荷兰、日本、俄罗斯之外,第五个能够自研自产芳纶纸的国家。
大家熟悉的天宫二号、和谐号高铁、国产大飞机C919……都应用了中国自主开发的芳纶纸。
像其他行业一样,在解决了“卡脖子”技术之后,中国产品凭借物美价廉的优势,迅速占领国际市场。目前,全球芳纶纸的排名前五的生产商是杜邦、民士达、赣州龙邦材料科技、超美斯和时代华先,这些厂商占有全球约13%的市场份额。

除杜邦之外,全都是中国企业!美国某知名行研公司芳纶纸市场研究报告中给出的五个头部企业,其中四个都来自中国。

行业研究报告

在产品端,我国的芳纶材料也行销全球。以凯夫拉防弹材料为例,中国生产的防弹衣已经占领全球七成以上的市场。小编之前文章中提过,连美国大兵都知道中国的防弹衣价格便宜用料足,纷纷自费购买。
中国科学家们以无私奉献,专注专业,完全结束了中国芳纶纸被“卡脖子”的历史!
张美云曾说:搞科研的人,就要像黄大年一样,耐得住寂寞,抵得住诱惑,守得住清贫,还要淡泊名利,低调务实不张扬。
与胡健团队的合作中,中车在接受采访时表示,科学家们的精神实在可歌可泣令人钦佩,科学家们攻克技术壁垒并非为了能够从中获利,而是为了解决国家的痛点。
中国突破芳纶纸的技术垄断,标志着中国科技实力和产业能力的发展翻开了新的一页。
这不仅是材料科学的突破,还可以带动其他高科技产业的崛起。未来,随着新能源和新材料的不断开发和应用,芳纶纸将会有更广阔的应用前景。