强力纤维高强高模聚乙烯纤维

1 高强高模聚乙烯纤维的发展历史及发展状况 高强高模聚乙烯纤维（UHMW-PE纤维）是采 用冻胶纺丝——超倍热拉伸技术制得的高性能纤维。 这种方法和技术是荷兰首先发明提出的，美国在世 界上首先形成生产该纤维的中试装置并进行商品化 生产，且开始进行产品开发应用，主要应用于高性 能绳、缆索和防护服、防御装置、盔甲和防弹类制 品。 1984年，荷兰与日本合资建立了中试工厂。 1990年荷兰开始在本国进行商品化生产，主要致力 于提高纤维的性能规格，因此，生产装置不断地完 善、改进。同时，为克服因纤维粘合性差给复合材 料加工带来的麻烦，开发了新的纤维加工产品，这 是一种单向材料，由平行铺设的高强高模聚乙烯纤 维构成，这些纤维被横向绞合并采用特种聚合物粘 合剂加以粘合，它可以使人和设备免遭高速子弹、 炸弹碎片和类似威胁的损伤。 目前，除荷兰外，美国、日本都可以生产高强 高模聚乙烯纤维。 八十年代，国内一些科研单位开始进行高强高 模聚乙烯纤维的探索研究。目前，国内高强高模聚 乙烯纤维生产线己建有三家，分别属中纺投资股份 公司（北京同益中），宁波大成化纤集团公司和湖南 中泰公司。 高性能纤维已经工业化生产的主要品种有对位 芳纶、碳纤维和高强高模聚乙烯纤维，其中以高强 高模聚乙烯纤维的强度最高。前二者产品都有近30 年的发展历史，有了稳定并不断增长的应用市场， 相比之下高强高模聚乙烯纤维的发展时间较短，纤 维产品已经达到超高强度的水平。 强力纤维——高强高模聚乙烯纤维 李月平 （保定天鹅股份有限公司 河北保定 071055） 摘 要：介绍国内外高强高模聚乙烯纤维的发展状况，通过几种纤维性能的比较，显示出高强高 模聚乙烯纤维的特性。 关键词：高强高模聚乙烯纤维；芳纶；碳纤维 中图分类号：TS102.52 文献标识码：A 文章编号：1673-0968(2007)03-0072-02 2 生产 高强高模聚乙烯纤维与碳纤维的环状结构、芳 族聚酰胺的刚性链结构不同，聚乙烯是一种柔性链 聚合物，要得到高强高模纤维，必须大幅度提高分 子量，以减少纤维结构中的分子末端缺陷，同时进 行超倍拉伸，使大分子折叠链伸直。真正在工业上 实现这一目标，就是用超高分子量的聚乙烯进行凝 胶纺丝。凝胶纺丝，就是首先把超高分子量的聚乙 烯粉末用石蜡或煤油等进行溶胀、溶解，形成半稀 溶液，然后按湿法纺丝的工艺流程，制得含有大量 溶剂的凝胶丝条，再将这种凝胶丝条进行超倍热拉 伸，用萃取剂去除溶剂，并将溶剂回收，经后处理 得到高强高模聚乙烯纤维。 3 高强高模聚乙烯纤维的性能和用途 高强·高模聚乙烯纤维，又称为超高分子量聚 乙烯（UHMWPE）纤维，它是90年代初出现的高 科技、高性能纤维，是当今世界三大高科技纤维（碳 纤维、芳纶、高强高模聚乙烯纤维）之一。高强高 模聚乙烯纤维由于分子量极高，主链结合好、取向 度、结晶度高，因此它的比强度是当今所有纤维之 最，相当于优质钢丝的15倍，普通化学纤维近10倍， 而且密度小，模量高，能抗紫外线和耐各种化学腐 蚀，具有突出的高冲击、高切割韧性优点和良好的 耐候性、高能量吸收性、低导电性等。可广泛应用 于国防军需装备：轻质高性能防弹板材、防弹头盔、 软质防弹衣、防刺衣、坦克防护板、雷达防护罩等， 其中以防弹衣的应用最为引人注目。还可应用于航 空航天复合材料、体育用品器材、建筑工程加固等 高性能复合材料。因其轻质高强、使用周期长、耐 磨、耐湿等特性，又可用于负力绳索、重载绳索、救 2007年3期(总第139期)山东纺织经济综 述 72 捞绳、拖拽绳、帆船索和钓鱼线等。UHMWPE纤 维的绳索，在自重下的断裂长度是钢绳的8倍，是 芳纶纤维的2倍。在远洋航舶、海军舰艇绳缆、远 洋捕鱼拖网、深海抗风浪网箱等方面都有应用。 目前，高强高模聚乙烯纤维在拥有众多的优越 性同时，象其它任何材料一样，也不可避免地有其 不足之处，其缺点是表面粘附性差、蠕变性高、熔 点低，压缩强度低，限制了其在复合材料、耐压容 器等方面的应用。因此，目前UHMWPE纤维的另 一个研究方向是针对其缺点进行改性研究。文献报 道改善UHMWPE纤维表面粘附性的处理方法有物 理方法、化学方法、等离子体、辐射交联、电晕、光 氧化、光致交联等，使处理后在UHMWPE纤维表 面产生刻蚀现象，形成凸凹不平的表面，增大了纤 维与树脂的接触面积和结合力。改进UHMWPE纤 维蠕变性能的主要方法是使纤维自身交联或与其他 纤维混杂等。交联主要通过对UHMWPE纤维辐射 处理来完成，也可与碳纤维、芳纶纤维等混杂来实 现其抗蠕变性能。目前UHMWPE纤维的蠕变性能 还未得到很好的解决，因此如何提高UHMWPE纤 维的抗蠕变性能仍是今后研究的主要任务及方向之 一。 总之，高强高模聚乙烯纤维，采用了特殊的纺 丝工艺生产，具有超高强度、超高模量、耐磨损、耐 腐蚀、抗老化、抗冲击和耐低温等特性，其主要性 能指标均优于碳纤维和芳纶，是国际上高强高模应 用纤维的更新替代产品，具有广泛的应用领域和市 高强高模聚乙烯纤维与其他工业纤维的性能比 力学性能 密度 强度 模量 工业用纤维的特性 伸长 纤维品种 g/cm3 N/texg/dGPa N/texg/dGPa % 高强、高模 聚乙烯纤维 0.973.1 35 3.0 97 110095 4.5 芳 纶 碳纤维(高强) 碳纤维(高模) E玻璃纤维 S玻璃纤维 聚酰胺纤维 聚酯纤维 聚丙烯纤维 钢纤维 1.44 1.78 1.85 2.60 2.5 1.14 1.38 0.9 7.86 2.05 1.9 1.2 1.35 1.85 0.8 0.8 0.6 0.2 23 22 14 15 21 9 9 7 2 2.9 3.4 2.3 3.5 4.6 0.9 1.1 0.6 1.77 41 134 210 28 34 5 10 6 25 470 1500 2400 315 385 56 110 70 225 60 240 390 72 86 6 14 6 200 3.6 1.4 0.5 4.8 5.2 20 13 20 1.8 耐光测定方法 纤维在紫外线照射 经1500小时暴露 纤维在紫外线照射 经1500小时暴露 耐光特性对比 纤维 品种 高强、高 模 聚 乙 烯纤维 强度保 持率 芳 纶 30% 90% 在溶剂中浸泡六个月，浸润后 强力保持率 各种高性能纤维的加工性能比较 纤维品种 加工性能 耐磨(直至破坏 的循环次数) 耐弯曲(直至破 坏循环次数) 勾结强度(g/d) 成环强度(g/d) PE 纤维 芳纶29芳纶49 碳纤维 (高强) 碳纤维 (高模) >110×103 9.5× 103 5.7× 103 20 120 >240× 103 3.7× 103 4.3× 103 5 2 10--15 6--7 6--7 0 0 12--18 10--12 10--12 0.7 0.1 场。但是，就像其它的纤维一样，将来会不会出现 新的纤维产品代替高强高模聚乙烯纤维呢？具有关 专家预言：未来5到8年可能出现新的强力纤维。◆ 溶 剂 高强、高模 聚乙烯纤 维 芳纶 纤维 海水 10%洗涤剂 煤油 汽油 甲苯 冰醋酸 1M盐酸 5M氢氧化钠 29%氢氧化铵 Clorox溶液 100 100 100 100 100 100 100 93 100 72 100 82 100 40 100 42 100 70 91 0 2007年3期(总第139期) 山东纺织经济 综 述 73