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UHMWPE)，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。

基本介紹

• 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

簡介

中國是化纖大國，但不是化纖強國，據專家介紹和有關部門統計，中國的高性能特種纖維的產量僅為世界產量的百分之一。 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，當前中國由於技術問題芳綸僅有小量生產；碳纖維尚處在試驗和初級生產階段，產品只能套用在耐磨填料等領域；超高分子量聚乙烯纖維在1994年同益中突破關鍵性生產技術以來，現已經在國內形成多個超高分子量聚乙烯纖維產業化生產基地。據報導，美國超高分子量聚乙烯纖維 70%用於防彈衣、防彈頭盔、軍用設施和設備的防彈裝甲、航空航天等軍事領域，而高性能纖維的發展是一個國家綜合實力的體現，是建設現代化 強國的重要物資基礎。當前，以國家已經大力支持與加速發展我國的超高分子量聚乙烯纖維的生產與套用，國產UHMWPE 纖維已經在全世界占用舉足輕重的地位。

特殊性能

1、高比強度，高比模量。 比強度是同等截面鋼絲的十多倍，比模量僅次於特級碳纖維。

2、纖維密度低，密度是0.97-0.98g/cm³，可浮於水面。

3 、斷裂伸長低、斷裂功大，具有很強的吸收能量的能力，因而具有突出的抗衝擊性和抗切割性。

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。

物理性能：

密度：0.97～0.98g/cm³。比水的密度低，可以漂浮在水上。

強度：2.8～4N/tex。

模量：91～140N/tex。

延伸度：3.5%～3.7%。

衝擊吸收能比對位芳醯胺纖維高近一倍，耐磨性好，摩擦係數小，但應力下熔點只有145～160℃。

性能測試

由於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，比模量僅次於特級碳纖維，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。早期生產的電子強力儀採用手工夾持器，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力過分集中，測試結果強力和伸長偏低，對纖維質量正確評定帶來不利結果。氣動夾持器操作自動，夾持力恆定並可通過氣壓的調節控制，減小了操作人員對測試結果的影響，測試結果準確穩定，因而得到廣泛套用。只有氣動夾持器的高強高模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。

製法

用齊格勒催化劑製備樹脂後，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：乾法紡絲，濕法紡絲

生產流程

超高分子量聚乙烯纖維的主要生產工序如下：原料的製備——雙螺桿擠壓機——紡絲箱——噴絲板——萃取——乾燥——加熱牽伸——卷繞成型。

製備原料

當前，國內外原料的製備方法不一，採用的溶劑不同，含固量也不一樣。所以，沒有固定的統一模式，生產製作的設備差異也很大，而常規熔融紡是不加溶劑的。但不論採取那種方式，最終都能達到所需的效果。因生產是連續化的，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，是提高產量的重要手段之一，但拉伸比也隨之提高，整體車速都要回響加快，增加了操作難度，毛絲的產生量相比明顯增多，不易把握。但，若能將含固量的百分比控制在適當的濃度內，還是可以的，要根據自身情況，量力而行。提高計量泵的轉速也是提高產量的有效手段之一。

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。各區的加熱溫度，要結合螺桿上捏合塊的位置加以設定，並且要保證一定的輸送壓力。螺桿捏合塊的設定，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；均勻的將物料分配到每一個紡絲組件。

噴絲

由計量泵將物料擠壓變為絲條，就是通過噴絲板實現的，板的孔徑大小及刨面形狀是它的重要技術參數，它對纖維的成型及拉伸性能的好壞，起著至關重要的作用。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設定溫度參數。但要想精確控制，還需要具備一些具體技術條件和實踐經驗。

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，生產工藝也不一樣。到目前為止，很難找到一種即經濟實用、安全環保，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”。若從絲的內部看，原料的分子結構並無大的變化，大分子之間沒有定向排列，還是處在無序狀態，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。而這時的纖維內部，實際上象是一個圓管型網狀體，聚乙烯的分子顆粒在其管網之中，隨著纖維的不斷拉伸變細，溶劑不斷的析出，管網的形狀也由圓到長，由梳到密，物料分子之間密度逐漸增加，大分子的排列，也由紊亂狀態向部分有序狀態逐步轉變。

乾燥

乾燥工序，主要目的是將粘於絲條上的萃取劑祛除烘乾，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，就會產生大量的並絲、僵絲現象，導致半成品絲束無法繼續加工。乾燥溫度和乾燥長度的把握是其關鍵所在。此工序不可小視，它直接關係到後牽伸的產品質量。

加熱牽伸

超高分子量聚乙烯纖維的牽伸與常規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。此纖維必須採取多級牽伸方式，才能達到高強、高模的特性。每一級欠牽伸過程中，分子間結構都有很大的變化。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，大分子鏈產生的數量就多，抱合力就越大，纖維的強力自然也就越高。纖維的結晶度提高，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，欠伸倍數儘量要大，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晶。纖維的內部結晶，是在高取向度形成的同時，發生結晶轉變的。由於此種纖維的分子量較高，抗外力的作用強，生產上只能採取熱拉伸工藝。所以，需配有較高的拉伸溫度，才能實現高倍牽伸。每一級拉伸，溫度不一，要根據絲條在以前工序中的狀態而定，沒有定數，但一定要在纖維自身能承受的溫度範圍以內。生產中，一般不超過攝氏溫度155度。否則，會有硬絲，僵絲的產生。

卷繞成型

絲捲成型的要求：絲筒無塌邊，無毛邊，絲束要定長，定重。所謂定長、定重，決不是簡單的指，對絲束長度、重量的要求，它的內涵很深，若能準確把握，是非常困難的。它是在要求，所有的生產工序必須很正常、很穩定，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、定重的技術水平，誰就達到了高強纖維這一領域裡的頂峰。

套用前景

由於超高分子量聚乙烯纖維具有眾多的優異特性， 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複合材料方面均顯示出極大的優勢，在現代化戰爭和航空、航天、海域防禦裝備等領域發揮著舉足輕重的作用。

國防方面

由於該纖維的耐衝擊性能好，比能量吸收大，在軍事上可以製成防護衣料、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、飛彈罩、防彈衣、防刺衣、盾牌等，其中以防彈衣的套用最為引人注目。它具有輕柔的優點，防彈效果優於芳綸，現已成為占領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複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複合材料製成的防彈、防暴頭盔已成為鋼盔和芳綸增強的複合材料頭盔的替代品。

航空方面

在航天工程中，由於該纖維複合材料輕質高強和抗衝擊性能好，適用於各種飛機的翼尖結構、飛船結構和浮標飛機等。該纖維也可以用作太空梭著陸的減速降落傘和飛機上懸吊重物的繩索，取代了傳統的鋼纜繩和合成纖維繩索，其發展速度異常迅速。

民用方面

(1)繩索、纜繩方面的套用：用該纖維製成的繩索、纜繩、船帆和漁具適用於海洋工程，是該纖維的最初用途。普遍用於負力繩索、重載繩索、救撈繩、拖拽繩、帆船索和釣魚線等。該纖維製成的繩索，在自重下的斷裂長度是鋼繩的8倍，是芳綸的2倍。該繩索用於超級油輪、海洋操作平台、燈塔等的固定錨繩，解決了以往使用鋼纜遇到的鏽蝕和尼龍、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，需經常進行更換的問題。 (2)體育器材用品：在體育用品上已經製成安全帽、滑雪板、帆輪板、釣竿、球拍及腳踏車、滑翔板、超輕量飛機零部件等，其性能較傳統材料為好。

(3)用作生物材料：該纖維增強複合材料用於牙托材料、醫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，並具有高的穩定性，不會引起過敏，已作臨床套用。還用於醫用手套和其他醫療措施等方面。

(4)工業上，該纖維及其複合材料可用作耐壓容器、傳送帶、過濾材料、汽車緩衝板等；建築方面可以用作牆體、隔板結構等，用它作增強水泥複合材料可以改善水泥的韌度，提高其抗衝擊性能。

用途：防彈背心和頭盔、輕質裝甲、船帆、纜繩、光纜補強體降落傘和濾材等。

市場前景

超高分子量聚乙烯纖維屬世界範圍內的稀缺物資， 世界年需求量約 5萬噸，其中美國占70%。但當前全世界產量不足 9000噸，缺口很大。據專家預測，未來10年內每年超高分子量聚乙烯纖維的市場年需求量將在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和產業化情況

當前，超高分子量聚乙烯纖維國外有荷蘭帝斯曼公司（DSM）、美國霍尼韋爾公司(Honeywell)、日本東洋紡公司（Toyobo）共 3家公司能工業化生產，且年總產量不到9000噸。

上世紀 70年代末期，荷蘭帝斯曼公司採用凝膠紡絲方法 (Gel spinning) 紡制超高分子量聚乙烯纖維獲得成功,並於1990年開始工業化生產，商標為dyneema。該公司是該纖維的創始公司，也是該纖維世界上產量最高、質量最佳的製造商，年產量約5000噸。80年代美國Allied-Singal公司購買了荷蘭帝斯曼公司的專利，開發出了自己的生產工藝並工業化。1990年Allied Signal公司被霍尼韋爾公司兼併，繼續生產超高分子量聚乙烯纖維，商標為spectra，年產量約 3000噸。日本東洋紡公司和荷蘭帝斯曼公司合資在日本生產超高分子量聚乙烯纖維，商標為dyneema，銷售地區僅限日本和中國台灣省，年產量約600噸。

市場情況

當期歐美和日本的超高分子量聚乙烯纖維用途結構有一定差異。歐美主要用於防彈衣和武器裝備，占總量 60%～70%，其次為繩纜占20%，漁網等占5%、勞動防護占5%；日本主要用於繩纜、漁網、防護類，特別是防切割手套，在汽車生產塗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化生產以來，一直在迅速發展。美國發生恐怖事件和世界不斷發生局部戰爭以來，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。同樣在民用領域，超高分子量聚乙烯纖維產品以其優良的性能，迅速成為海上用繩纜、遠洋漁網和海上網箱等的主要材料，其市場需求保持旺盛的增長。儘管荷蘭帝斯曼公司、美國 霍尼韋爾公司 和日本三井公司近幾年多次增建擴產，產量以每年 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年美國發生恐怖事件後，以美國為中心的防彈衣用產品需求激增， 帝斯曼公司迅速 擴建，將生產能力增加 10%以上。據報導，2006年 荷蘭帝斯曼公司計畫在 美國的 北卡羅來納州 Greenville工廠 原有生產線的基礎上，再 新建1條生產線， 將使該公司纖維生產線總數達到10條，新裝置預計將於2008年早期投產 。而且Greenville工廠的產品直到今天主要供應美國軍隊和執法機構。

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， 2006年與 帝斯曼公司就有關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的不斷擴產，其詳情不得而知。 據悉霍尼韋爾公司生產工藝的主要輔料為 氟氯化碳 (俗稱氟利昂) ， 氟氯化碳的使用 給擴產帶來了巨大技術障礙。

3、日本三井公司的情況。2003年4月日本三井公司開始建設新的 超高分子量聚乙烯纖維生產線，加上原來的生產裝置，使日本的年設計生產能力達到 600噸。產品重點放在擴大作業手套、釣魚線和繩纜市場上。

產業化

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研究所先後加入研發行列， 並取得了一系列重大理論突破。隨即一些企業投入中試及小規模工業化生產，至今經過不懈努力其纖維性能已經達到國際中等水平並具有各自的特色，部分進入規模化生產階段。目前國內有鄭州安泰防護科技有限公司、北京同益中特種纖維技術開發有限公司、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 5家生產超高分子量聚乙烯纖維，都取得了較大的成績。但由於這五家所採取工藝方式和設備路線不盡相同，故而導致產品質量和單機產量差距較大。

在上述4家企業當中， 北京同益中特種纖維技術開發有限公司（BJTYZ）經過近20年的技術發展，已建成年產1000噸超高分子量聚乙烯纖維（DOYENTRONTEX纖維）的生產基地、山東愛地也於2005年建成年產200噸的生產基地。當前他們的大多數設備的製造、安裝、及工程開車得益於鹽城市神泰紡織器材有限公司的支持，所有生產裝置運行穩定、設計環保、單機產能高且自控水平較好，從投料到成絲卷繞整個過程連續化生產，生產輔料全部回收，產品質量穩定。

提高單機產量，實現規模化生產，以技術進步帶動產業升級，使我國超高分子量聚乙烯纖維的製備技術和裝備水平接近國際先進水平，將是該產品在我國的發展方向和要求。當前，鹽城超強高分子材料工程技術研究所和東華大學正聯合研究開發新一代產量高、質量好的工藝和裝備技術。為此，國家在“十一五”《紡織工業科技進步發展綱要》中重點將超高分子量聚乙烯纖維產業化研發列為紡織行業重點突破的 28項關鍵技術之首位，並要求“要對 國內已有基礎的新一代超高強高膜聚乙烯等套用技術深化研究，實現產業升級”。

市場情況

超高分子量聚乙烯纖維的高端市場是繩網製造業，其次是用於防彈片（ UD）。 我國超高分子量聚乙烯纖維年產量已經接近3000噸，主要用於製造防刺服、防彈衣、防彈頭盔、繩纜、遠洋漁網、魚線、勞動防護等，部分纖維出口歐美及亞洲等一些國家和地區。國內國防領域已逐步使用，民用領域套用也在推廣使用，每年的市場需求量約在10000噸以上。隨著超高分子量聚乙烯纖維在我國實現規模化工業生產，以及生產成本和產品價格的下降，必將迅速帶動中國在其國防和民用套用領域的 研究和發展，尤其是在民用領域（ 繩纜、遠洋漁網、海上養殖、勞動防護類） ，套用範圍將不斷擴展，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展對國防建設和軍事裝備也將有著不同尋常的戰略意義。