超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維(英文全稱：Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，簡稱UHMWPEF)，又稱高強高模聚乙烯纖維，是目前世界上比強度和比模量最高的纖維，其分子量在100萬～500萬的聚乙烯所紡出的纖維。
基本信息
中文名
超高分子量聚乙烯纖維
外文名
Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber
簡稱
UHMWPE
別名
高強高模聚乙烯纖維
目錄
簡介
中國是化纖大國，但不是化纖強國，據(jù)專家介紹和有關(guān)部門統(tǒng)計，中國的高性能特種纖維的產(chǎn)量僅為世界產(chǎn)量的百分之一。當今世界三大高性能纖維是：芳綸、碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維，目前中國由于技術(shù)問題芳綸僅有小量生產(chǎn)；碳纖維尚處在試驗和初級生產(chǎn)階段，產(chǎn)品只能應(yīng)用在耐磨填料等領(lǐng)域；超高分子量聚乙烯纖維已突破關(guān)鍵性生產(chǎn)技術(shù)，具備規(guī)?；a(chǎn)條件。超高分子量聚乙烯纖維在1994年同益中突破關(guān)鍵性生產(chǎn)技術(shù)以來，現(xiàn)已經(jīng)在國內(nèi)形成多個超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地。據(jù)報道，美國超高分子量聚乙烯纖維70％用于防彈衣、防彈頭盔、軍用設(shè)施和設(shè)備的防彈裝甲、航空航天等軍事領(lǐng)域，而我國在軍事方面的應(yīng)用基本上為零，而高性能纖維的發(fā)展是一個國家綜合實力的體現(xiàn)，是建設(shè)現(xiàn)代化強國的重要物資基礎(chǔ)，為此，從國家利益出發(fā)大力支持與加速發(fā)展我國的超高分子量聚乙烯纖維的生產(chǎn)與應(yīng)用尤顯迫切。當前，以國家已經(jīng)大力支持與加速發(fā)展我國的超高分子量聚乙烯纖維的生產(chǎn)與應(yīng)用，國產(chǎn)UHMWPE纖維已經(jīng)在全世界占用舉足輕重的地位。
特殊性能
超高分子量聚乙烯纖維(英文全稱： Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，簡稱UHMWPE)，又稱高強高模聚乙烯纖維，是目前世界上最強 度和比模量最高的纖維，其特殊性能為：
1、高比強度，高比模量。比強度是同等截面鋼絲的十多倍，比模量僅次于特級碳纖維。
2、纖維密度低，密度是0.97g/cm3，可浮于水面。
3、斷裂伸長低、斷裂功大，具有很強的吸收能量的能力，因而具有突出的抗沖擊性和抗切割性。
4、抗紫外線輻射，防中子和γ射線，比能量吸收高、介電常數(shù)低、電磁波透射率高。
5、耐化學腐蝕、耐磨性、有較長的撓曲壽命。
超高分子量聚乙烯纖維的物理性能
強度 28～40 g /d
模量 1000～1300 g/d
密度 0.97 g/cm 3
斷裂 伸長率 ＜ 3％
總纖度 800 ～ 2400D
單絲纖度 3.5 ～ 4.0D
吸濕性 無
沸水收縮率 ＜ 1％
水解性 無
耐酸性 優(yōu)異
耐堿性 優(yōu)異
抗其他化學藥品性 優(yōu)異
抗紫外光性 優(yōu)良
熔點 144 ～ 155℃
導(dǎo)熱性（沿纖維軸向） 20w(mk)
散熱系數(shù) -12×10 -6 K
電阻 ＞ 10 14 Ω
電介質(zhì)強度 900KV/CM
介電常數(shù)（（ 22℃、10Ghz） 2.25
損耗因數(shù) 2×10 -4
熔變性（ 22℃、20% load） 1×10 -2 % d
超高纖維繩
防腐蝕手套
性能測試
由于聚乙烯纖維高比強度，高比模量。比強度是同等截面鋼絲的十多倍，比模量僅次于特級碳纖維，其強伸度測試對強力儀性能要求比一般纖維要高得多。它要求纖維強力儀的夾持器既能夾緊纖維試樣在拉伸試驗中不打滑，又不因夾持力過大而損傷纖維。早期生產(chǎn)的電子強力儀采用手工夾持器，用人工擰緊螺絲夾緊纖維試樣，夾持力難以控制，為防止試樣打滑往往手工操作夾持力過大，造成夾持器鉗口處應(yīng)力過分集中，測試結(jié)果強力和伸長偏低，對纖維質(zhì)量正確評定帶來不利結(jié)果。氣動夾持器操作自動，夾持力恒定并可通過氣壓的調(diào)節(jié)控制，減小了操作人員對測試結(jié)果的影響，測試結(jié)果準確穩(wěn)定，因而得到廣泛應(yīng)用。只有氣動夾持器的高強度纖維強力儀能滿足高性能聚乙烯纖維的強伸性能測試要求。
制法
用齊格勒催化劑制備樹脂后，以十氫萘或石蠟油、燈油為溶劑進行凝膠紡絲，或以石蠟烴為熔劑進行“半熔紡”而得。
大致可以分為兩類：干法紡絲，濕法紡絲。
生產(chǎn)流程
超高分子量聚乙烯纖維的主要生產(chǎn)工序如下：原料的制備——雙螺桿擠壓機——紡絲箱——噴絲板——萃取——干燥——加熱牽伸——卷繞成型。
制備原料
當前，國內(nèi)外原料的制備方法不一，采用的溶劑不同，含固量也不一樣。所以，沒有固定的統(tǒng)一模式，生產(chǎn)制作的設(shè)備差異也很大，而常規(guī)熔融紡是不加溶劑的。但不論采取那種方式，最終都能達到所需的效果。因生產(chǎn)是連續(xù)化的，所以原料的配比不能有波動，要求始終均勻一致。雖然含固量的提高，是提高產(chǎn)量的重要手段之一，但拉伸比也隨之提高，整體車速都要相相應(yīng)快，增加了操作難度，毛絲的產(chǎn)生量相比明顯增多，不易把握。但，若能將含固量的百分比控制在適當?shù)臐舛葍?nèi)，還是可以的，要根據(jù)自身情況，量力而行。提高計量泵的轉(zhuǎn)速也是提高產(chǎn)量的有效手段之一。
攪拌物料
螺桿擠壓機對物料起著輸送—攪拌—加熱—加壓等作用。首先，進入“螺桿”之前的漿料要脫泡，不能含有水汽，物料在輸送過程中，要得到充分的混練攪拌。各區(qū)的加熱溫度，要結(jié)合螺桿上捏合塊的位置加以設(shè)定，并且要保證一定的輸送壓力。螺桿捏合塊的設(shè)定，理論性很強，不同的組合，對物料的攪拌，會有不同的效果。
紡絲
紡絲箱的作用主要是保溫；控溫；均勻地地物料分配到每一個紡絲組件。
噴絲
由計量泵將物料擠壓變?yōu)榻z條，就是通過噴絲板實現(xiàn)的，板的孔徑大小及刨面形狀是它的重要技術(shù)參數(shù)，它對纖維的成型及拉伸性能的好壞，起著至關(guān)重要的作用。紡絲箱和噴絲板處的溫度匹配，通過觀察噴出絲的熔融狀態(tài)設(shè)定溫度參數(shù)。但要想精確控制，還需要具備一些具體技術(shù)條件和實踐經(jīng)驗。
萃取
主要是將絲條中大量的溶劑萃取、置換出來，從而得到“純”度的高強度聚乙烯纖維。萃取劑的選取，廠家各有不同，生產(chǎn)工藝也不一樣。到目前為止，很難找到一種即經(jīng)濟實用、安全環(huán)保，萃取效果又好，還無毒、無味的理想萃取劑[在國際上，也是一個長期不宜解決的難題]。
從紡絲到萃取這一工段中，絲條隨機不斷的拉伸，從外觀上看，由粗變細，由半透明到半乳白，絲的可拉伸性也逐漸提高，有了一點“強度”。若從絲的內(nèi)部看，原料的分子結(jié)構(gòu)并無大的變化，大分子之間沒有定向排列，還是處在無序狀態(tài)，分子之間被大量的溶劑包裹隔離著，不能形成分子鏈，若分子鏈形不成，絲也就不可能有真正的強力。而這時的纖維內(nèi)部，實際上象像是個圓管型網(wǎng)狀體，聚乙烯的分子顆粒在其管網(wǎng)之中，隨著纖維的不斷拉伸變細，溶劑不斷的析出，管網(wǎng)的形狀也由圓到長，由梳到密，物料分子之間密度逐漸增加，大分子的排列，也由紊亂狀態(tài)向部分有序狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變。
干燥
干燥工序，主要目的是將粘于絲條上的萃取劑祛去除干，以備牽伸之用。這道工序控制起來，看似簡單，實為較難，在工藝溫度及張力上稍有掌握不當，就會產(chǎn)生大量的并絲、僵絲現(xiàn)象，導(dǎo)致半成品絲束無法繼續(xù)加工。干燥溫度和干燥長度的把握是其關(guān)鍵所在。此工序不可小視，它直接關(guān)系到后牽伸的產(chǎn)品質(zhì)量。
加熱牽伸
超高分子量聚乙烯纖維的牽伸與常規(guī)滌綸短纖的牽伸工藝，從形式上看基本一樣，但要求控制的精度大有不同。此纖維必須采取多級牽伸方式，才能達到高強、高模的特性。每一級欠牽伸過程中，分子間結(jié)構(gòu)都有很大的變化。隨著拉伸，大分子間由無序狀向有序狀，定向排列，結(jié)晶度也隨之逐漸提高。只有在纖維的大分子沿纖維軸向的取向度提高，大分子鏈產(chǎn)生的數(shù)量就多，抱合力就越大，纖維的強力自然也就越高。纖維的結(jié)晶度提高，初始模量也自然提高，纖維在抗外力的作用下，伸長越小，變形量也越小。
纖維在欠伸過程中，欠伸倍數(shù)盡量要大，要讓纖維有突然的拉伸變化，才更能促使大分子間的有序取向和高度結(jié)晶。纖維的內(nèi)部結(jié)晶，是在高取向度形成的同時，發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變的。由于此種纖維的分子量較高，抗外力的作用強，生產(chǎn)上只能采取熱拉伸工藝。所以，需配有較高的拉伸溫度，才能實現(xiàn)高倍牽伸。每一級拉伸，溫度不一，要根據(jù)絲條在以前工序中的狀態(tài)而定，沒有定數(shù)，但一定要在纖維自身能承受的溫度范圍以內(nèi)。生產(chǎn)中，一般不超過攝氏溫度155度。否則，會有硬絲，僵絲的產(chǎn)生。
卷繞成型
絲卷成型的要求：絲筒無塌邊，無毛邊，絲束要定長，定重。所謂定長、定重，決不是簡單地地，對絲束長度、重量的要求，它的內(nèi)涵很深，若能準確把握，是非常困難的。它是在要求，所有的生產(chǎn)工序必須很正常、很穩(wěn)定，纖維的纖度只有始終均勻一致，才能有所保障。倘若誰能真正做到定長、定重的技術(shù)水平，誰就達到了高強纖維這一領(lǐng)域里的頂峰。
應(yīng)用前景
由于超高分子量聚乙烯纖維具有眾多的優(yōu)異特性，它在高性能纖維市場上，包括從海上油田的系泊繩到高性能輕質(zhì)復(fù)合材料方面均顯示出極大的優(yōu)勢，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭和航空、航天、海域防御裝備等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。
1、國防軍需裝備方面：由于該纖維的耐沖擊性能好，比能量吸收大，在軍事上可以制成防護衣料、頭盔、防彈材料，如直升飛機、坦克和艦船的裝甲防護板、雷達的防護外殼罩、導(dǎo)彈罩、防彈衣、防刺衣、盾牌等，其中以防彈衣的應(yīng)用最為引人注目。它具有輕柔的優(yōu)點，防彈效果優(yōu)于芳綸，現(xiàn)已成為占領(lǐng)美國防彈背心市場的主要纖維。另外超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的比彈擊載荷值U/p是鋼的10倍，是玻璃纖維和芳綸的2倍多。國外用該纖維增強的樹脂復(fù)合材料制成的防彈、防暴頭盔已成為鋼盔和芳綸增強的復(fù)合材料頭盔的替代品。
超高纖維
在防彈衣上的應(yīng)用
防彈背心
防彈頭盔
2、航空航天方面的應(yīng)用：在航天工程中，由于該纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強和抗沖擊性能好，適用于各種飛機的翼尖結(jié)構(gòu)、飛船結(jié)構(gòu)和浮標飛機等。該纖維也可以用作航天飛機著陸的減速降落傘和飛機上懸吊重物的繩索，取代了傳統(tǒng)的鋼纜繩和合成纖維繩索，其發(fā)展速度異常迅速。
3、民用方面：
(1)繩索、纜繩方面的應(yīng)用：用該纖維制成的繩索、纜繩、船帆和漁具適用于海洋工程，是該纖維的最初用途。普遍用于負力繩索、重載繩索、救撈繩、拖拽繩、帆船索和釣魚線等。該纖維制成的繩索，在自重下的斷裂長度是鋼繩的8倍，是芳綸的2倍。該繩索用于超級油輪、海洋操作平臺、燈塔等的固定錨繩，解決了以往使用鋼纜遇到的銹蝕和尼龍、聚酯纜繩遇到的腐蝕、水解、紫外降解等引起纜繩強度降低和斷裂，需經(jīng)常進行更換的問題。
超高纖維
超高纖維
(2)體育器材用品：在體育用品上已經(jīng)制成安全帽、滑雪板、帆輪板、釣竿、球拍及自行車、滑翔板、超輕量飛機零部件等，其性能較傳統(tǒng)材料為好。
(3)用作生物材料：該纖維增強復(fù)合材料用于牙托材料、醫(yī)用移植物和整形縫合等方面，它的生物相容性和耐久性都較好，并具有高的穩(wěn)定性，不會引起過敏，已作臨床應(yīng)用。還用于醫(yī)用手套和其他醫(yī)療措施等方面。
(4)工業(yè)上，該纖維及其復(fù)合材料可用作耐壓容器、傳送帶、過濾材料、汽車緩沖板等；建筑方面可以用作墻體、隔板結(jié)構(gòu)等，用它作增強水泥復(fù)合材料可以改善水泥的韌度，提高其抗沖擊性能。
市場前景
超高分子量聚乙烯纖維目前屬世界范圍內(nèi)的稀缺物資，世界年需求量約5萬噸，其中美國占70%。但目前全世界產(chǎn)量不足9000噸，缺口很大。據(jù)專家預(yù)測，未來10年內(nèi)每年超高分子量聚乙烯纖維的市市場需求量在10萬噸以上，市場潛力巨大，前景廣闊。
世界超高分子量聚乙烯纖維研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化情況
目前，超高分子量聚乙烯纖維國際上只有荷蘭帝斯曼公司（DSM）、美國霍尼韋爾公司、日本三井公司共3家公司能工業(yè)化生產(chǎn)，且年總產(chǎn)量不到9000噸。
上世紀70年代末期，荷蘭帝斯曼公司采用采用凝膠方法(Gel spinning)紡制超高分子量聚乙烯纖維獲得成功。該公司是該纖維的創(chuàng)始公司，也是該纖維世界上產(chǎn)量最高、質(zhì)量最佳的制造商，年產(chǎn)量約5000噸。80年代美國Allied-Singal公司與荷蘭帝斯曼公司合作，在美國成立霍尼韋爾公司，生產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維中低端產(chǎn)品，且僅限北美市場銷售，年產(chǎn)量約3000噸。日本東洋紡公司和荷蘭帝斯曼公司合資在日本成立三井公司，生產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維，銷售地區(qū)僅限日本和中國臺灣省，年產(chǎn)量約600噸。
市場情況
目前歐美和日本的超高分子量聚乙烯纖維用途結(jié)構(gòu)有一定差異。歐美主要用于防彈衣和武器裝備，占總量60％～70％，其次為繩纜占20％，漁網(wǎng)等占5％、勞動防護占5％；日本主要用于繩纜、漁網(wǎng)、防護類，特別是防切割手套，在汽車生產(chǎn)涂漆工序的使用已達到超高分子量聚乙烯纖維總需求量的1/4。
超高分子量聚乙烯纖維自商業(yè)化生產(chǎn)以來，一直在迅速發(fā)展。美國發(fā)生恐怖事件和世界不斷發(fā)生局部戰(zhàn)爭以來，防彈衣料和軍需裝備用超高分子量聚乙烯纖維的需求迅速擴大。同樣在民用領(lǐng)域，超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)品以其優(yōu)良的性能，迅速成為海上用繩纜、遠洋漁網(wǎng)和海上網(wǎng)箱等的主要材料，其市場需求保持旺盛的增長。盡管荷蘭帝斯曼公司、美國霍尼韋爾公司和日本三井公司近幾年多次增建擴產(chǎn)，產(chǎn)量以每年8％以上的速度遞增，但仍不能滿足市場需求。
1、荷蘭帝斯曼公司的情況。2001年美國發(fā)生恐怖事件后，以美國為中心的防彈衣用產(chǎn)品需求激增，帝斯曼公司迅速擴建，將生產(chǎn)能力增加10％以上。據(jù)報道，2006年荷蘭帝斯曼公司計劃在美國的北卡羅來納州Greenville工廠原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，再新建1條生產(chǎn)線，將使該公司纖維生產(chǎn)線總數(shù)達到10條，新裝置預(yù)計將于2008年早期投產(chǎn)。而且Greenville工廠的產(chǎn)品直到今天主要供應(yīng)美國軍隊和執(zhí)法機構(gòu)。
2、美國霍尼韋爾公司的情況。美國霍尼韋爾公司至今沒有擴產(chǎn)，2006年與帝斯曼公司就有關(guān)超高分子量聚乙烯纖維的分歧達成諒解，默認帝斯曼公司在美國境內(nèi)的不斷擴產(chǎn)，其詳情不得而知。據(jù)悉霍尼韋爾公司生產(chǎn)工藝的主要輔料為氟氯化碳(俗稱氟利昂)，氟氯化碳的使用給擴產(chǎn)帶來了巨大技術(shù)障礙。
3、日本三井公司的情況。2003年4月日本三井公司開始建設(shè)新的超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)線，加上原來的生產(chǎn)裝置，使日本的年設(shè)計生產(chǎn)能力達到600噸。產(chǎn)品重點放在擴大作業(yè)手套、釣魚線和繩纜市場上。
產(chǎn)業(yè)化情況
我國自1985年開始超高分子量聚乙烯纖維的研究，東華大學、鹽城超強高分子材料工程技術(shù)研究所先后加入研發(fā)行列，并取得了一系列重大理論突破。隨即一些企業(yè)投入中試及小規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，至今經(jīng)過不懈努力其纖維性能已經(jīng)達到國際中等水平并具有各自的特色，部分進入規(guī)模化生產(chǎn)階段。目前國內(nèi)有北京同益中特種纖維技術(shù)開發(fā)有限公司、湖南中泰特種裝備有限公司、寧波大成新材料股份有限公司、山東愛地高分子材料有限公司4家生產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維，都取得了較大的成績。但由于這四家所采取工采取的工藝設(shè)備路線不盡相同，故而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量和單機產(chǎn)量差距較大。
在上述4家企業(yè)當中，北京同益中特種纖維技術(shù)開發(fā)有限公司，經(jīng)過近十年的技術(shù)發(fā)展，已建成年產(chǎn)600噸超高分子量聚乙烯纖維的生產(chǎn)基地、山東愛地也于2005年建成年產(chǎn)200噸的生產(chǎn)基地。目前他們的大多數(shù)設(shè)備的制造、安裝、及工程開車得益于鹽城市神泰紡織器材有限公司的支持，所有生產(chǎn)裝置運行穩(wěn)定、設(shè)計環(huán)保、單機產(chǎn)能高且自控水平較好，從投料到成絲卷繞整個過程連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)輔料全部回收，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
提高單機產(chǎn)量，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，以技術(shù)進步帶動產(chǎn)業(yè)升級，使我國超高分子量聚乙烯纖維的制備技術(shù)和裝備水平接近國際先進水平，將是該產(chǎn)品在我國的發(fā)展方向和要求。目前，鹽城超強高分子材料工程技術(shù)研究所和東華大學正聯(lián)合研究開發(fā)新一代產(chǎn)量高、質(zhì)量好的工藝和裝備技術(shù)。為此，國家在“十一五”《紡織工業(yè)科技進步發(fā)展綱要》中重點將超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化研發(fā)列為紡織行業(yè)重點突破的28項關(guān)鍵技術(shù)之首位，并要求“要對國內(nèi)已有基礎(chǔ)的新一代超高強高膜聚乙烯等應(yīng)用技術(shù)深化研究，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級”。
中國市場情況
超高分子量聚乙烯纖維的高端市場是繩網(wǎng)制造業(yè)，其次是用于防彈片（UD）。我國超高分子量聚乙烯纖維年產(chǎn)量不足2000噸，主要用于制造防刺服、防彈衣、防彈頭盔、繩纜、遠洋漁網(wǎng)、勞動防護等，部分纖維出口歐美及亞洲等一些國家和地區(qū)。國內(nèi)國防領(lǐng)域已逐步使用，民用領(lǐng)域應(yīng)用也在推廣使用，每年的市場需求量約在10000噸左右。隨著超高分子量聚乙烯纖維在我國實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)，以及生產(chǎn)成本和產(chǎn)品價格的下降，必將迅速帶動中國在其國防和民用應(yīng)用領(lǐng)域的研究和發(fā)展，尤其是在民用領(lǐng)域（繩纜、遠洋漁網(wǎng)、海上養(yǎng)殖、勞動防護類），應(yīng)用范圍將不斷擴展，社會惠及面越來越廣，市場需求保持旺盛增長。中國超高分子量聚乙烯纖維的發(fā)展對國防建設(shè)和軍事裝備也將有著不同尋常的戰(zhàn)略意義。
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