我國(guó)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及需求

梁 燕，邱星翔，蔣干兵，胡偉偉

（1.江蘇省高性能纖維產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇連云港 222047；2.連云港神特新材料有限公司，江蘇連云港 222047）

1 超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維概述

超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維（Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Fiber，簡(jiǎn)稱為UHMWPE 纖維），是以分子質(zhì)量超百萬(wàn)的超高分子質(zhì)量聚乙烯為原料，采用凍膠紡絲方法制成的纖維。UHMWPE 纖維具有簡(jiǎn)單、但近乎完美的碳?xì)渖熘辨溄Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)對(duì)稱、規(guī)整，取向度高，具有獨(dú)特的綜合性能，廣泛應(yīng)用于軍事防護(hù)、海洋工程等領(lǐng)域。

UHMWPE 纖維的開(kāi)發(fā)是在特種纖維的需求不斷成長(zhǎng)的趨勢(shì)下，繼碳纖維和芳香族纖維之后，出現(xiàn)的又一種高性能纖維。人們對(duì)UHMWPE 纖維的研究始于20 世紀(jì)70 年代。1979 年，荷蘭帝斯曼（即DSM）公司采用凍膠紡絲與超倍熱拉伸方法率先在實(shí)驗(yàn)室制得了UHMWPE 纖維并申請(qǐng)了專利。1990年，該公司實(shí)現(xiàn)了UHMWPE 纖維的工業(yè)化生產(chǎn)[1,2]；1982年，美國(guó)聯(lián)信（1999年與美國(guó)霍尼韋爾公司合并，合并后稱霍尼韋爾）公司在購(gòu)買DSM 公司專利權(quán)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)，以礦物油溶劑替換DSM 公司的十氫萘溶劑，成功取得自行研發(fā)技術(shù)專利，并于1984 年開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[3]。1984 年，DSM 公司與日本東洋紡合資建廠，并于1989 年在日本批量生產(chǎn)。目前，國(guó)際上工業(yè)化生產(chǎn)UHMWPE 纖維的企業(yè)主要是荷蘭DSM、美國(guó)霍尼韋爾和日本東洋紡三大公司。

我國(guó)于20 世紀(jì)80 年代初開(kāi)始進(jìn)行國(guó)產(chǎn)UHMWPE 纖維的研究與開(kāi)發(fā)，東華大學(xué)、中國(guó)紡織科學(xué)研究院等科研院所先后進(jìn)行了一系列技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)出高濃度原液紡絲技術(shù)。我國(guó)成為世界上繼美國(guó)、荷蘭之后的第3 個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)UHMWPE纖維的國(guó)家[4]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)UHMWPE 纖維生產(chǎn)能力不斷進(jìn)步，生產(chǎn)技術(shù)不斷突破，已具備規(guī)模化生產(chǎn)能力，國(guó)內(nèi)總產(chǎn)能已經(jīng)大于國(guó)外總產(chǎn)能，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到同類產(chǎn)品國(guó)際先進(jìn)水平，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不斷提高，行業(yè)保持了良好的發(fā)展勢(shì)態(tài)，纖維產(chǎn)品在各應(yīng)用領(lǐng)域用量也都有不同程度增長(zhǎng)[5]。

盡管UHMWPE 纖維具有許多優(yōu)良的性能，但也存在應(yīng)力作用下易蠕變、耐熱性差、流動(dòng)困難、加工性差、粘結(jié)性差、壓縮強(qiáng)度低等缺陷。對(duì)于UHMWPE 纖維來(lái)說(shuō)，這些缺陷很大程度上，限制了其在許多重要領(lǐng)域中的應(yīng)用，是當(dāng)前也是今后一段時(shí)間內(nèi)亟待解決的技術(shù)難題。

2 我國(guó)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及需求

雖然我國(guó)UHMWPE 纖維產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)取得重大進(jìn)展，但與世界先進(jìn)國(guó)家相比，在產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)、纖維產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)配套裝備、纖維后道開(kāi)發(fā)等方面還存在一定的差距，特別是相關(guān)產(chǎn)品的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)一直處于相對(duì)滯后狀態(tài)。由于對(duì)纖維部分關(guān)鍵性能指標(biāo)測(cè)試方法及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一的技術(shù)要求，限制了我國(guó)UHMWPE 纖維在相關(guān)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

我國(guó)UHMWPE 纖維相關(guān)現(xiàn)行有效的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要有FZ/T 54027—2010《超高分子量聚乙烯長(zhǎng)絲》[6]、GB/T 29554—2013《超高分子量聚乙烯纖維》[7]、GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》[8]等產(chǎn)品及方法標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 比較解析現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

FZ/T 54027—2010《超高分子量聚乙烯長(zhǎng)絲》于2010 年12 月29 日發(fā)布，2011 年4 月1 日正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲的術(shù)語(yǔ)和定義、分類和標(biāo)識(shí)、技術(shù)要求、實(shí)驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存的要求。適用于名義線密度范圍在55dtex-3555dtex 的超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲的鑒定和驗(yàn)收，其它超高分子質(zhì)量聚乙烯長(zhǎng)絲可參照使用。

GB/T 29554—2013《超高分子量聚乙烯纖維》于2013 年07 月19 日發(fā)布，2014 年3 月1 日正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維的的分類和標(biāo)記、要求、實(shí)驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存等。適用于線密度范圍在55dtex-6650dtex 的超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維，線密度低于55dtex 或高于6650dtex的超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維可參照使用。

GB/T 29554—2013 與FZ/T 54027—2010 標(biāo) 準(zhǔn)相比，相同之處在于對(duì)于拉伸性能測(cè)試的斷裂強(qiáng)度、初始模量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)，均引用GB/T 19975 方法標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試執(zhí)行。區(qū)別是GB/T 29554—2013 除了提供以化纖行業(yè)常用的“cN/dtex”為量綱單位的斷裂強(qiáng)度、初始模量的考核指標(biāo)外，還增加了復(fù)合材料行業(yè)常用的以“MPa”、“GPa”為量綱單位的拉伸性能考核指標(biāo)，方便生產(chǎn)企業(yè)和下游相關(guān)應(yīng)用單位對(duì)纖維拉伸性能指標(biāo)的統(tǒng)一測(cè)試比較。另外，由于纖維含油率指標(biāo)的重要意義，GB/T 29554—2013 引用了GB/T 6504 含油率測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，增加其作為產(chǎn)品性能考核指標(biāo)。

盡管GB/T 29554—2013 標(biāo)準(zhǔn)提供了“MPa”、“GPa”為量綱單位的斷裂強(qiáng)度和初始模量的考核指標(biāo)，但引用方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19975—2015 并未設(shè)置彈性模量由“cN/dtex”到“GPa”量綱的換算公式，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29554—2013“GPa”為量綱的初始模量值缺少換算依據(jù)。因此，為了增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的適用性和嚴(yán)謹(jǐn)性，需及時(shí)對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。

另外，由于我國(guó)UHMWPE 纖維生產(chǎn)企業(yè)均有自己的一套等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，纖維成品指標(biāo)、等級(jí)高低不一，造成現(xiàn)行UHMWPE 纖維產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的引用率并不高。建議在對(duì)檢測(cè)方法規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維產(chǎn)品各個(gè)規(guī)格的等級(jí)分類進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)范，促進(jìn)我國(guó)UHMWPE 纖維市場(chǎng)的規(guī)范化管理。

2.2 規(guī)范完善現(xiàn)行拉伸性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

UHMWPE 纖維拉伸性能是其一個(gè)重要性能指標(biāo)，拉伸性能的優(yōu)劣直接決定了產(chǎn)品性能的好壞。目前，針對(duì)UHMWPE 纖維的性能測(cè)試方法主要是其強(qiáng)度、模量等常規(guī)的拉伸性能的測(cè)試。GB/T 19975—2005 標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、初始模量和拉伸蠕變性能的實(shí)驗(yàn)方法，適用于UHMWPE 纖維拉伸性能測(cè)試。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，UHMWPE 纖維拉伸性能測(cè)試采用等速伸長(zhǎng)拉伸實(shí)驗(yàn)儀，同時(shí)建議斷裂強(qiáng)力較大時(shí)，例如斷裂強(qiáng)力大于200N 時(shí)，采用不易打滑和斷夾口的繩線用夾具。通過(guò)大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于UHMWPE 纖維高比強(qiáng)度、高比模量，其拉伸性能測(cè)試對(duì)等速伸長(zhǎng)拉伸實(shí)驗(yàn)儀和夾具的要求比一般纖維高得多，它要求拉伸實(shí)驗(yàn)儀的夾具既能夾緊纖維試樣在拉伸實(shí)驗(yàn)中不打滑，又不因加持力過(guò)大而損傷纖維。而現(xiàn)行UHMWPE 纖維拉伸性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)適宜拉伸的檢測(cè)儀器的規(guī)范方面基本是缺失的。以等速伸長(zhǎng)拉伸實(shí)驗(yàn)儀為例，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)儀的夾具規(guī)格、儀器的參數(shù)設(shè)定、檢測(cè)程序所需性能指標(biāo)的參照計(jì)算公式等并未作出相應(yīng)規(guī)范。這就容易造成不同生產(chǎn)企業(yè)和檢測(cè)單位在對(duì)UHMWPE 纖維拉伸性能進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，由于使用設(shè)備的夾具規(guī)格、有效拉伸隔距、應(yīng)變范圍選擇等不同，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果數(shù)值出現(xiàn)差異，質(zhì)量判定上出現(xiàn)等級(jí)差異，不具有可比性。因此，建議進(jìn)一步明確拉伸性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)檢測(cè)儀器設(shè)置并規(guī)范檢測(cè)方法，以便正確測(cè)試得到UHMWPE纖維拉伸性能指標(biāo)。

2.3 結(jié)合應(yīng)用，完善蠕變性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

拉伸蠕變是指材料在一定溫度和恒定應(yīng)力作用下，其形變隨時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象，表征增強(qiáng)型材料在恒定負(fù)荷作用下的尺寸穩(wěn)定性。UHMWPE 纖維耐蠕變性能較差，由于纖維本身的這一特性，其產(chǎn)品尺寸、形態(tài)穩(wěn)定性差，極大地局限了其在繩索、繩纜等領(lǐng)域的應(yīng)用，蠕變問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注[9]。纖維蠕變性能影響因素很多，大致可分為內(nèi)部因素與外部因素。內(nèi)部因素主要是與材料本身有關(guān)，包括材料分子結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子量大小、分子鏈柔性、取向、交聯(lián)等，外部因素主要有蠕變載荷、拉伸速度、蠕變時(shí)間、纖維測(cè)試長(zhǎng)度等。

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)UHMWPE 纖維蠕變性能測(cè)試參照GB/T 19975—2005 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)的是高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下，溫度在（20±2）℃下的蠕變性能測(cè)試。而UHMWPE纖維在實(shí)際使用過(guò)程中，將會(huì)在室溫至160℃以上承載著不同的應(yīng)力?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)蠕變載荷、拉伸速度、蠕變時(shí)間、纖維測(cè)試長(zhǎng)度這些影響測(cè)試結(jié)果的主要因素沒(méi)有明確規(guī)定，不能真實(shí)反映出UHMWPE纖維在下游產(chǎn)品制造過(guò)程中的實(shí)際溫度環(huán)境。因此，應(yīng)對(duì)UHMWPE 纖維蠕變性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善，確定具體測(cè)試過(guò)程中各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及蠕變性能指標(biāo)，進(jìn)而正確表征其拉伸蠕變性能。

2.4 滿足需求，建立老化性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

UHMWPE 纖維具有高強(qiáng)高模、耐腐蝕、耐磨損、柔韌性好等優(yōu)良性能，是制造海洋漁業(yè)用纜繩的優(yōu)秀材料。作為海洋漁業(yè)用UHMWPE 纖維，在高強(qiáng)受力狀態(tài)，長(zhǎng)期處于紫外輻照、海水浸泡等多種老化環(huán)境的影響，其性能隨著老化時(shí)間下降，進(jìn)而有可能造成安全問(wèn)題。

目前，針對(duì)UHMWPE 纖維的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，大多集中在物理、機(jī)械性能的研究，尚未系統(tǒng)開(kāi)展相關(guān)UHMWPE 纖維老化性能測(cè)試方法的研究。海洋環(huán)境使用的UHMWPE 纖維的老化過(guò)程主要受到鹽霧、溫度、濕度、輻照等因素的影響，應(yīng)盡快建立可模擬纖維在受力狀態(tài)下的老化過(guò)程實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試UHMWPE 纖維的老化性能指標(biāo)，進(jìn)一步拓展UHMWPE纖維在海洋漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)我國(guó)UHMWPE 纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，亟需針對(duì)現(xiàn)行UHMWPE 纖維相關(guān)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的適用性進(jìn)行修正，完善拉伸性能、蠕變性能等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的需求。同時(shí)，針對(duì)UHMWPE 纖維其它關(guān)鍵性能指標(biāo)如老化性能、涼感性能等，制定適宜的測(cè)試方法，才能對(duì)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，拓展產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，從而更好地推動(dòng)我國(guó)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。