超高分子量聚乙烯纖維的性能與應(yīng)用

摘 要：超高分子量聚乙烯纖維是世界上幾種優(yōu)良的高性能纖維之一。由于其在化學(xué)和物理性能方面的優(yōu)勢(shì)，它被廣泛用于許多行業(yè)，例如國(guó)防軍事，工業(yè)生產(chǎn)，航天航空等。超高分子量聚乙烯纖維是中國(guó)發(fā)展的重要項(xiàng)目，并且也是特種纖維之一。本文對(duì)超高分子量聚乙烯纖維的性能和應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯纖維;性能;應(yīng)用

1 超高分子量聚乙烯纖維的優(yōu)良性能

UHMWPE 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)秀的理化特性，但 UHMWPE 柔性線性大分子主鏈結(jié)構(gòu)及其極高的分子量（長(zhǎng)的分子主鏈）同時(shí)制約了這一材料的成型工藝。由于其分子鏈較長(zhǎng)，UHMWPE 大分子鏈在熔融后仍然保持著高度的相互卷曲纏繞狀態(tài)，導(dǎo)致其在熔融狀態(tài)下粘度過(guò)高，不能形成粘流態(tài)而是呈現(xiàn)高彈態(tài)，熔融指數(shù)幾乎為0，因此無(wú)法通過(guò)聚乙烯常用的熱熔融實(shí)現(xiàn)擠出和紡絲等加工成型方法;同時(shí)，高彈態(tài)下的UHMWPE 具有的臨界剪切速度較低，熔體的粘度很大，因此在擠出或者注塑工藝中容易使制品表面出現(xiàn)起伏不平、扭結(jié)、粗糙、熔體破裂等問(wèn)題，同樣是造成材料難以加工的因素。與常規(guī)纖維相比，UHMWPE 纖維的最讓人關(guān)注的是其超高的拉伸強(qiáng)度及拉伸模量、較低的密度、以及柔性鏈結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的高抗沖性能。另外，UHMWPE 纖維的絕緣性，耐低溫性，化學(xué)穩(wěn)定性及疏水性等均較優(yōu)異。

1.1 超高分子量聚乙烯纖維優(yōu)良的力學(xué)性能

UHMWPE纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能。在相同線密度下，UHMWPE纖維的拉伸強(qiáng)度是鋼絲繩的15倍，比芳綸纖維高40%，是優(yōu)質(zhì)鋼纖維和普通復(fù)合纖維的10倍。與鋼、E夾層玻璃、尼龍、聚烯胺相比，具有更高的強(qiáng)度和模量，在相同質(zhì)量的原材料中，強(qiáng)度最高。

1.2 超高分子量聚乙烯纖維優(yōu)良的密度與比強(qiáng)度

UHMWPE纖維的密度約為0.95g/cm3～0.98g/cm3，與碳纖維、芳綸纖維相比具有更低的密度，密度小于水的密度，與聚丙烯類似，是一種密度小于水的特種高性能纖維。

UHMWPE纖維是一種輕質(zhì)高強(qiáng)纖維，比強(qiáng)度遠(yuǎn)勝于碳纖維、芳綸為主的其他特種高分子纖維。

UHMWPE纖維的拉伸比強(qiáng)度約為2.8～4N/tex（密度以0.98g/cm3計(jì)算，則拉伸強(qiáng)度約為2744MPa～3920MPa）;拉伸比模量約為91～140N/tex（密度以0.98g/cm3計(jì)算，則拉伸模量約為90GPa～137GPa）。雖然UHMWPE纖維拉伸強(qiáng)度與碳纖維、芳綸等特種纖維相近，但UHMWPE的拉伸比強(qiáng)度要比芳綸和碳纖維大約50%，基本是目前拉伸比強(qiáng)度最大的高分子特種纖維。

1.3 超高分子量聚乙烯纖維優(yōu)良的耐磨性能

一般而言，原材料的模量越大，耐磨性越低，但是對(duì)于UHMWPE纖維，則相反。由于UHMWPE纖維的摩擦系數(shù)較低，模量越高，耐磨性越高。因此，其耐磨性優(yōu)于其他優(yōu)良的化學(xué)纖維。由于其耐磨性和抗彎曲性，它具有出色的生產(chǎn)和加工特性，并且易于制造其他聚合物材料和紡織品。

1.4 超高分子量聚乙烯纖維耐化學(xué)腐蝕性

UHMWPE纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，物理性能相對(duì)穩(wěn)定，它具有高晶體結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)[1]。因此，強(qiáng)酸強(qiáng)堿中的活性基因不易攻擊，并且只有少數(shù)幾種其他有機(jī)化學(xué)水溶液可以使它輕度溶脹，并且其力學(xué)性能損害小于10%。超高含量聚乙烯纖維和芳綸纖維在不同化學(xué)藥品中的抗壓強(qiáng)度保持率非常高。超高含量聚乙烯纖維的耐蝕性明顯比芳綸纖維搞。其結(jié)構(gòu)在酸，堿和鹽中非常穩(wěn)定，僅在次氯酸鈉溶液中其強(qiáng)度才會(huì)被破壞。

1.5 超高分子量聚乙烯纖維良好的耐光性能

UHMWPE纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此其耐光性也是新型化纖中最優(yōu)異的。UHMWPE纖維的強(qiáng)度保持率明顯高于尼龍，高、低模量芳綸纖維的強(qiáng)度保持率有所提高。

1.6 超高分子量聚乙烯纖維的其他性能

UHMWPE纖維具有優(yōu)異的疏水性，耐濕性，絕緣性和使用壽命。其耐濕性和耐寒性優(yōu)異，并且比重小。它是唯一可以在水上漂浮的新型化纖，還是理想的低溫纖維。然而，它也具有缺點(diǎn)，即低熔點(diǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，溫度不應(yīng)超過(guò)130℃，否則，由于UHMWPE纖維的分子結(jié)構(gòu)鏈之間的相互作用力弱，將引起應(yīng)力松弛并縮短使用壽命。UHMWPE纖維沒(méi)有染基團(tuán)，這使它們的滲透性差，并且染料不能滲透到纖維中，從而導(dǎo)致染性差。此缺陷影響了其主要用途的范圍。

2 超高分子量聚乙烯纖維的應(yīng)用技術(shù)

到目前為止，UHMWPE纖維的主要用途已越來(lái)越廣泛。其產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造方法也多種多樣。

2.1 吊裝、拖拽等方面的應(yīng)用

UHMWPE纖維的典型應(yīng)用是繩、網(wǎng)、絲。這些產(chǎn)品是通過(guò)加捻和加捻UHMWPE纖維束制成的。超高分子量聚乙烯纖維的拉伸強(qiáng)度與拉伸模量極大，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)海水腐蝕的耐受性好，還具有較大疏水性，能夠防止海洋中微生物的附著等特點(diǎn);同時(shí) UHMWPE 纖維的密度小于海水密度，可以浮于海面上，所以這種纖維材料非常適合在海洋環(huán)境下作為纜繩使用;可以用作捕撈漁網(wǎng)，釣魚(yú)線，聲吶拖繩等。UHMWPE 纖維還可以編織成船帆，或者船舶蒙布等。這些產(chǎn)品由超高分子量聚乙烯纖維制成，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）光纜的應(yīng)用解決了鋼絲繩在生銹、腐蝕、水解反應(yīng)、紫外溶解等情況下需要經(jīng)常更換的問(wèn)題。

2.2 防護(hù)織造制品的應(yīng)用

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維安全防護(hù)紡織品具有良好的抗激光切割、抗刺穿和抗鏈輪齒性能。超高分子量聚乙烯纖維可以替代芳綸作為防彈衣等防護(hù)裝備的材料，有效減輕裝備質(zhì)量，提高防護(hù)性能?？梢杂糜谲娪醚b備的材料，如防暴護(hù)具、雷達(dá)罩布、軍用飛機(jī)組成材料等，同樣能獲得較高的性能，而減輕裝備相當(dāng)一部分質(zhì)量。防止織物切割的主要是針織品。首先選擇氨綸和超高分子量聚乙烯纖維，然后選擇聚酯、尼龍、玻璃纖維和鐵絲中的一種或多種，然后覆蓋一次或兩次。該產(chǎn)品通常具有不同的防割結(jié)構(gòu)，經(jīng)織造和后續(xù)加工后成為防割產(chǎn)品。這些產(chǎn)品主要用于保護(hù)警察、拳擊手和伐木工人。防刺產(chǎn)品主要是無(wú)紡布和機(jī)織物。根據(jù)要求和要求，有的可以直接層壓，有的是復(fù)合材料。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維優(yōu)異的抗剪強(qiáng)度和抗刺強(qiáng)度與其他纖維幾乎不可比擬。

2.3 防彈UD復(fù)合材料的應(yīng)用

將超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維捆扎、攤鋪、涂膠、干/熱壓制成UD（單向）布。當(dāng)UD織物以[00/900]1或[00/900]2或其他角度復(fù)合后，可以制備UD復(fù)合材料的基本單元層。只需將基本單元層直接折成柔軟的防彈材料，熱壓后再折成堅(jiān)硬的防彈材料即可[2]。當(dāng)然，不同的層會(huì)產(chǎn)生不同的防彈效果。因此，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同的防彈等級(jí)。軟質(zhì)防彈材料主要用于防彈衣、防彈毯等需要柔軟的地方;硬質(zhì)防彈材料主要用于防彈帽、防彈板、防彈套等需要高防彈或形狀的地方。

2.4 運(yùn)動(dòng)器材的應(yīng)用

類似于碳纖維，尼龍纖維等高強(qiáng)度高分子纖維，UHMWPE纖維同樣可以應(yīng)用于民用運(yùn)動(dòng)器材當(dāng)中。另外，由于 UHMWPE 纖維成本較低，相比碳纖維更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。UHMWPE 纖維可用作生產(chǎn)釣魚(yú)竿，釣魚(yú)線，標(biāo)槍，羽毛球拍，沖浪板，雪橇，籃球網(wǎng)，足球網(wǎng)，自行車(chē)，摩托艇，賽艇，賽車(chē)，帆船等。

2.5 醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

UHMWPE 纖維及其復(fù)合材料，由于具有較好的耐久性、生物相容性、穩(wěn)定性的特點(diǎn)，并且不容易引起過(guò)敏，在醫(yī)用手套、醫(yī)療器械、整形縫合線、移植物及牙托材料領(lǐng)域使用廣泛。

3 總結(jié)

經(jīng)過(guò)幾代高科技材料在中國(guó)的探索，超高分子量聚乙烯纖維最終被納入中國(guó)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維由于其優(yōu)異的性能而在纖維領(lǐng)域中處于不可戰(zhàn)勝的地位，并已廣泛應(yīng)用于中國(guó)的國(guó)防，醫(yī)療，航空，航天，航海等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫山峰，代士維，徐紹魁.超高分子量聚乙烯纖維的性能與應(yīng)用[J].當(dāng)代化工研究，2019（07）：97-98.

[2]何正洋，潘志娟.超高分子量聚乙烯纖維的結(jié)構(gòu)與性能[J].現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)，2018，33（04）：5-7.

作者簡(jiǎn)介：

劉佳（1988- ），男，漢族，四川宜賓人，大學(xué)本科，四川省宜賓普什建材有限責(zé)任公司管件車(chē)間主任，養(yǎng)就放心：主要從事聚乙烯材料、聚丙烯材料的加工。