高强高模聚乙烯纤维的技术进展及应用

于春江，王 健，刘志刚

(辽阳石化公司研究院，辽宁辽阳111003)

高强高模聚乙烯(HSHMPE)纤维，俗称超高分子量聚乙烯纤维，是第三代高性能纤维，在此之前国际上开发了碳纤维、芳纶。与现在市场上的纤维相比其优异性能相当明显，是比强度和比模量最高的纤维，其比强度是同等截面钢丝的10多倍，比模量仅比特级碳纤维差。HSHMPE纤维具有化学惰性强，耐强酸、强碱溶液和有机溶剂的腐蚀的特点，因而其强度基本上不受化学环境影响;同时还具有耐低温良好的特点，一般使用温度可以低至－150℃。耐候性良好，即使日晒1 500 h后，纤维强度保持率不低于80%，耐紫外性能非常优越。因其具有以上的优点，因而在安全防护、航空航天、航海、防弹衣、坦克和舰艇的装甲防护板、医疗器具、船舶海洋工程缆绳、远洋捕鱼的器具等领域得到广泛应用［1－4］。

1 HSHMPE纤维发展概况

1.1 国外技术进展

20世纪70年代，来自英国利兹大学的科技人员Capaccio和Ward，首先研制成功超高模量聚乙烯纤维。在这之后荷兰DSM公司改进技术，使用凝胶纺丝法制备出HSHMPE纤维，在制备该纤维过程中利用十氢萘做溶剂，得到了目的产物，于1979年申请专利，并于1990年成功实现了工业化生产，产品商标为 dyneema［5］。为了进一步加大下游产品的应用，该公司投入大量人力物力先后开发出HSHMPE纤维的下游应用产品，这些产品有军事方面应用的飞机座舱的防弹门、防护服以及防弹服，民用方面的航运、渔业和海上工业用的绳索、电缆和鱼网以及用于水下爆破作业的防护服等产品。荷兰DSM公司于2007年10月宣布，成功研制具有理想的防射击性能和轻量化等优点综合于一体的单向防弹纤维，命名这种纤维品牌为dyneema HB5l。2010年DSM公司又在水下爆破的防护服方面的应用取得突破，并转让给防护设备专家瑞典TST公司。该防护服能承受高压水枪的作业环境［6］。荷兰DSM公司是世界上生产HSHMPE纤维的最大生产商，自工业化生产HSHMPE以来，为满足市场需求，不断扩大生产规模，截止2010年底，该公司投资的欧洲和美国的工厂生产的HSHMPE纤维，生产能力已经达到6 kt/a。

在20世纪80年代中期美国Honeywell公司也开发成功HSHMPE纤维，商品名Spectra，与荷兰DSM公司的同类产品相比，这种纤维的优点是模量超过了后者，缺点是断裂强度较差。从产品应用角度看，防弹领域的研究Honeywell公司居于领先地位，Honeywell公司首次研制成功防弹衣和防弹头盔方面的高强聚乙烯纤维无纬布，该公司在2001年以后也在不断扩大产能，目前其Spectra生产能力约3 kt/a。

在亚洲，日本东洋纺公司与荷兰DSM公司合资，在日本生产HSHMPE纤维，商标也为Dyneema，为满足市场增长的需求，2008年7月下旬宣布扩大Dyneema的产能，总投资达到5 0亿日元(4 690万美元)，公司位于日本福井的工厂内，共有2条生产线生产Dyneema纤维，该工厂Dyneema纤维生产能力2010年已达到1.6 kt/a。由于市场需求增长强势，Dyneema纤维已出现销售地区仅限日本和中国台湾。另外美国塞拉尼斯公司的工程聚合物分部泰科纳公司(Ticona)，巴西的Braskem公司，沙伯欧洲公司，也进行了小规模的HSHMPE 纤维的生产［7］。

目前荷兰DSM公司、美国Honeywell公司和日本东洋纺公司分别以十氢化萘、矿物油和石蜡作为纺丝溶剂，采用凝胶纺丝-萃取、干燥及超倍拉伸-成品收卷设备联合一体化的一步法工艺路线。荷兰DSM公司采用的合成工艺比后两家公司工艺流程减少了萃取工艺。目前用石蜡油为溶剂的工艺路线是比较成熟的技术，设备及操作可控性良好。用石蜡油为溶剂的工艺路线根据工艺实施方式和设备配置的不同，决定了设备投资生产的差距也比较大，因而效益回收也不同［5］。

1.2 我国研发和生产现状

我国研究HSHMPE纤维始于1985年，率先立项研究HSHMPE纤维产业化项目的是东华大学，通过反复试验解决了冻胶纺丝技术、萃取技术及萃取装备、纳米颗粒使用技术等攻关难题，使得我国的HSHMPE纤维产品在防弹、绳索、头盔等国防军工等领域得到了广泛的应用，东华大学共申请专利9项，获中国授权专利6项。东华大学在1999年底与湖南中泰特种装备有限公司合作，建成了1 kt/a工业化生产装置，并成功开车，生产出产品，2010年该装置扩产为5kt/a。产业化进程中遇到的设备、工艺、高浓度原液纺丝技术问题被攻克，标志着我国HSHMPE纤维发展站在了世界发展的前端，成为世界上第三个具有生产HSHMPE纤维自主知识产权的国家。目前，我国生产的HSHMPE纤维主要规格是以444 dtex和666 dtex为主产品，模量达1 144 cN/dtex、断裂伸长率为3%、纤维丝束强度达30.8 cN/dtex、单丝线密度 2.77 ～3.33 dtex，溶剂残留量不超过 2%，产品能广泛应用在军警及民用设施上［8］。

在东华大学研究的工艺成果基础上，宁波大成特种纤维公司进行了小试、中试、工业化生产开发，并相继建成了HSHMPE纤维工业化生产装置，于2000年初成功实现了产业化放大，成为世界上第四个拥有自主知识产权的生产HSHMPE纤维生产企业。宁波大成特种纤维公司一期工程建成HSHMPE纤维及制品生产装置生产能力为0.5 kt/a，到2009年底该公司生产HSHMPE纤维及制品1.5 kt，大部分产品应用在军用的软质防弹衣、UD无纬防弹布、轻质防弹头盔、防弹板材、高性能滑雪杖等方面。目前，该公司制造的防弹设备已经成功的应用在英国驻伊拉克部队、驻科威特部队、伊拉克新政府军队及警察、沙特阿拉伯部分军队上［5，9－10］。

伴随着市场需求的增长，国内HSHMPE纤维企业有20多家。这些企业以湖南中泰特种装备有限责任公司、宁波大成新材料股份有限公司、中石化仪征化纤股份有限公司、山东爱地高分子材料有限公司、上海斯瑞聚合体科技有限公司、浙江千禧龙特种纤维公司等为代表。

目前，江苏的九九久科技股份有限公司利用东华大学的高浓度冻胶纺HSHMPE纤维的制备技术为技术保障，成功通过了3.2 kt/a HSHMPE纤维项目可行性报告，预计在2013年投料开车，将成为我国较大的单套HSHMPE纤维企业。另外，北京同益中特种纤维技术开发有限公司成功申请了欧盟和韩国专利的产品;山东爱地高分子材料有限公司打破外国垄断专利，实现了纺丝工艺连续化和单套产能大型化、高效化;2009年中国石化仪征化纤股份有公司成功开发干法纺丝工艺路线 ，并进行了工业化［10］;此外，杭州翔盛纺织有限公司等在HSHMPE纤维的研制、工业化方面也取得一定长足的进步。

2 HSHMPE纤维应用领域及市场前景

HSHMPE纤维与芳纶相比，具有密度小、硬度强的优点、并且相对分子质量极高，主链结合好的特点。相同体积的头盔，用HSHMPE纤维制作的就可以减轻质量300～400 g，等同于壳体的40%，实践证明防弹效果好，成为了主导美国军用市场的纤维，随着该纤维性能的逐渐改进和提高，市场前景可期［5］。

随着各国军事对抗的强化及太空领域的竞争激烈程度不断加强，各国都在寻找一种轻薄且坚硬的纤维，随着人类利用率的增加，HSHMPE纤维需求也迅速增长，很多国家的飞机内壁都用这种纤维制造而成，而制成防弹衣恰恰利用了其质量轻，抗冲击力强的特点［11］。目前做成的有防弹衣、防弹头盔、运钞车和作战坦克防弹板以及雷达的防护外壳等。

HSHMPE纤维在民用方面也得到了广泛的应用，主要应用在渔业的绳、索、网等方面，也应用在体育器材方面，例如滑雪板、钓鱼竿、安全帽等;在医疗方面的应用，例如用作牙托材料、医用移植物、整形缝合材料、人造关节、人造韧带、人造肌腱、手术缝线等［5］。HSHMPE纤维在建筑材料等领域也到了广泛的应用。

随着人类逐渐认识到HSHMPE纤维制作材料的特点，它的需求量会成倍增加，据估计目前全球需求量为30 kt，我国需求量为8 kt，但是世界的产量仅为 10 kt，我国产量为 5 kt［12］。可见，我国HSHMPE纤维市场前景广阔。

3 发展和建议

(1)我国科研单位和企业对照国外标准找差距。虽然我国是世界上拥有生产HSHMPE纤维知识产权的第三个国家，但是我们的产品和另两家巨头企业还有很多不足，具体是:树脂质量有波动，纤维级专用树脂空白;纤维力学性能相对差，指标仅和发达国家同类产品的中等水平相当;纤维的线密度和强度的均匀率不好;缺乏纤维表面改性技术，致使复合材料性能不高;单套设备产能不高，纤维质量波动较大等［9］。因此，我国有关部门应设立专项科研基金，成立专门研究机构，进行技术攻关，完善提升HSHMPE纤维生产技术路线，以此推动我国HSHMPE纤维产业的技术进步和产品的国际市场竞争力。

(2)整合我国市场，制定HSHMPE纤维标准，形成规模化。目前，我国共有20多家企业生产HSHMPE纤维，有很多企业产能很小，不具备竞争力，整体产品单耗，能耗过高，加之我国有些企业盲目跟风生产，扩大产能后，没有进行相应的下游产品开发，致使目前我国产能相对过剩和设备出现闲置的状况，生产商基本上都存在开工不足的问题。因而我国权威部门应制定HSHMPE纤维产品标准，关闭小产能的企业，做大做强大企业，并在国际上具有竞争力。

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