超高分子量聚乙烯短纤维及其纱线性能研究

摘要：本文介绍了超高分子量聚乙烯短纤维及其各种混纺纱线的性能。超高分子量聚乙烯短纤维可用于纺制各种纱线产品，也可用于建筑增强材料。超高分子量聚乙烯纱线具有强度高、耐磨、耐切割等优点，其断裂强度可达到 8 cN/dtex以上，可满足一些特种领域对高强度纱线的需求，应用前景非常广阔。

关键词：超高分子量聚乙烯；短纤维；纱线；性能

中图分类号：TQ342+.61 文献标志码：A

Study on Performance of UHMWPE Staple Fiber and Yarn

Abstract： The performance of UHMWPE staple fiber and yarn was introduced in this paper. UHMWPE staple fiber can be used to spin various yarns， and also can be used as building reinforcement materials. The breaking strength of UHMWPE yarn is above 8 cN/dtex. With excellent abrasion-resistance and cutresistance performance， UHMWPE yarn can meet the requirements of some special fields， thus has a great market potential.

Key words： UHMWPE； staple fiber； yarn； performance

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是目前产业化应用的强度最高的合成纤维之一，除了高强度和高模量外，UHMWPE纤维还具有密度低、抗冲击、耐切割的优点，密度只有0.97 g/cm3，低于多数合成纤维，同时其化学稳定性、耐光性和耐低温性都非常优异，因此有非常广泛的用途，如应用于安全防护、航海、渔业、体育用品等领域，产品包括防弹用UD布、防刺服面料、防切割手套、各类绳索、渔网等，但这些产品基本为长丝制品，相比之下UHMWPE短纤维和纱线的产品和应用都较少，这主要与市场需求、成本等因素有关，但从使用角度来看，短纤维和纱线产品也有其优点，比如自由度更高，可以在各种基体中均匀分散，适合于做复合材料增强骨架；其纱线产品不易钩丝，而且具有柔软、触感良好等特点。

近年来，国内UHMWPE纤维的产能扩张很快，生产企业数量及规模都在不断增加，且增速远超传统长丝市场的需求，市场竞争较为激烈。以下将对UHMWPE短纤维及其纱线的性能进行研究。

1 实验部分

1.1 实验材料

1.97 dtex/51 mm的UHMWPE短纤维，中国石化仪征化纤股份有限公司生产；

1.33 dtex/38 mm的UHMWPE短纤维，中国纺织科学研究院提供；

各种UHMWPE纱线，中国纺织科学研究院提供。

1.2 实验设备

强力测试仪（Instron M）；单丝强力测试仪（上海新纤，XQ-1C）；扫描电镜（日本，JSM-6360）；纤维卷曲弹性仪（上海新纤，XCP-1型）。

1.3 测试方法和标准

短纤维的拉伸性能和卷曲性能根据国标GB/T 14337— 2008《化学纤维：短纤维拉伸性能试验方法》和国标GB/ T 14338 — 2008《化学纤维：短纤维卷曲性能试验方法》进行测试；纱线的拉伸性能根据国标GB/T 3916 — 1997《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》进行测试。

2 结果与分析

2.1 短纤维性能研究

测试了UHMWPE短纤维的断裂强度、模量和卷曲性从表 1 可以看出，UHMWPE短纤维属于高强低伸纤维，其断裂强度是常规涤纶短纤维的 5 倍以上，模量是涤纶短纤维的10倍以上。

UHMWPE短纤维的卷曲性能较涤纶差，正常涤纶短纤维的卷曲率在11% ～ 14%之间，卷曲数在12个/25 mm左右，而表 1 中UHMWPE短纤的卷曲率和25 mm卷曲数都不到涤纶短纤维的一半。UHMWPE短纤的卷曲性差和其纤维特性有关，由于其大分子高度取向和结晶，模量和强度高造成卷曲困难，而且大分子结构中缺乏极性基团，纤维弯曲后在弯曲点大分子难以靠强的极性键固定重排，造成卷曲保持性差，从而给纺纱带来较大难度。

用扫描电镜观察UHMWPE短纤维的表面形态，结果如图 1 所示。

从图 1 可以看出，所测的UHMWPE短纤维经过了卷曲，局部由平直状变成了弯曲状，这种卷曲对纺纱有利，可以增加纤维间的抱合性，但卷曲数应控制在一定范围内才有利于纺纱：卷曲数过少会导致纤维抱合性不好，毛条强度低，难以纺纱；卷曲数过多则容易形成大量棉结，影响成纱质量。

2.2 纱线性能研究

另外还测试了一批断裂强度稍低的UHMWPE短纤原料所纺的UHMWPE纯纺纱线和UHMWPE/PET（90/10）混纺纱线的力学性能指标，结果见表 2。

从表 2 可以看出，UHMWPE纯纺和混纺纱线都有较高的断裂强度，远超一般短纤纱的断裂强度，接近同规格涤纶纱线断裂强度的 3 倍。而且UHMWPE/PET（90/10）混纺纱的断裂强度较UHMWPE纯纺纱要稍高一些，分析原因可能是PET的加入提高了纱线中纤维的抱合性，使强度增加。从表 2 还可以看出，股线的断裂强度较单纱提高了10%以上，股线的条干均匀性也更好。

为研究混纺比对UHMWPE/PET混纺纱线裂强度的影响，本研究测试了同规格纯PET、UHMWPE/PET（50/50）、UHMWPE/PET（70/30）、UHMWPE/PET（90/10）以及纯UHMWPE 纱的断裂强度，结果见图 2。

从图 2 可以看出，随着纱线中UHMWPE纤维含量的增加，纱线的断裂强度是一个先增加再趋缓，然后略有下降的趋势，发生这种情况的原因比较复杂。纱线的断裂强度取决于纱线断裂时参与断裂的纤维强度和数量，一般情况下，在纱线断裂时有部分纤维只是发生了位置的滑移，并未断裂。UHMWPE纤维的断裂强度大、断裂伸长低，而且表面摩擦系数小，容易滑移，而涤纶断裂强度低、断裂伸长大，纤维的相对滑移情况会少一些。在UHMWPE纤维含量较少时，其强度的贡献非常明显，纱线断裂强度随其含量增加不断增加，但当UHMWPE纤维含量增加到一定程度以后，纤维相对滑移对纱线断裂强度的影响开始起决定作用，纱线断裂强度不再随UHMWPE纤维含量的增加而增加。

3 应用领域探讨

UHMWPE短纤维有广泛的应用领域，除了可用于纺纱生产高强度纱线外，还可以用于建筑增强材料、复合材料骨架等中。宁波大成的研究结果表明，把长度为19 mm的UHMWPE短纤添加到混凝土中，可明显提高其强度指标，掺混量从0.1%到 0.5%，强度指标呈上升趋势，当掺混量为0.5%时立方体抗压强度和轴心抗压强度提高15%左右、抗折强度提高近30%、劈拉强度提高78.9%，增强作用非常明显。

UHMWPE纱线可用于各种防切割、耐磨织物产品，如防护手套等，和长丝相比，短纤纱织物产品手感柔软，不易钩丝，具有同样的耐磨性和防切割等级，结实耐用且防护性能良好，在建筑、救援等领域应用前景非常广阔。

4 结论

（1）UHMWPE短纤是目前工业化生产的强度最高的短纤维之一，经过卷曲后也有一定的卷曲度，可用于纺纱、建筑增强等领域；

（2）在涤纶短纤中混入一定比例的UHMWPE短纤可明显提高纱线强度，但当其含量达到一定程度后纱线断裂强度不再增加；

（3）UHMWPE纱线的断裂强度远超一般短纤纱线，可满足特殊领域对高强度纱线的需求，用于开发耐磨、防切割纺织产品。

参考文献

[1] 顾超英，赵永霞. 国内外超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用[J].纺织导报，2010（4）：52-55.

[2] 钱伯章. 超高强度聚乙烯纤维的开发应用进展[J]. 国外塑料，2010，28（4）：62-64.

[3] 廉志军，史贤宁，井连英. 高强高模聚乙烯短纤维及其应用[J].纺织导报，2013（3）：58-60.

[4] 达巍峰. 超高分子量聚乙烯纤维产业现状与发展[J]. 新材料产业，2011（9）：17-20.

从图 2 可以看出，随着纱线中UHMWPE纤维含量的增加，纱线的断裂强度是一个先增加再趋缓，然后略有下降的趋势，发生这种情况的原因比较复杂。纱线的断裂强度取决于纱线断裂时参与断裂的纤维强度和数量，一般情况下，在纱线断裂时有部分纤维只是发生了位置的滑移，并未断裂。UHMWPE纤维的断裂强度大、断裂伸长低，而且表面摩擦系数小，容易滑移，而涤纶断裂强度低、断裂伸长大，纤维的相对滑移情况会少一些。在UHMWPE纤维含量较少时，其强度的贡献非常明显，纱线断裂强度随其含量增加不断增加，但当UHMWPE纤维含量增加到一定程度以后，纤维相对滑移对纱线断裂强度的影响开始起决定作用，纱线断裂强度不再随UHMWPE纤维含量的增加而增加。

3 应用领域探讨

UHMWPE短纤维有广泛的应用领域，除了可用于纺纱生产高强度纱线外，还可以用于建筑增强材料、复合材料骨架等中。宁波大成的研究结果表明，把长度为19 mm的UHMWPE短纤添加到混凝土中，可明显提高其强度指标，掺混量从0.1%到 0.5%，强度指标呈上升趋势，当掺混量为0.5%时立方体抗压强度和轴心抗压强度提高15%左右、抗折强度提高近30%、劈拉强度提高78.9%，增强作用非常明显。

UHMWPE纱线可用于各种防切割、耐磨织物产品，如防护手套等，和长丝相比，短纤纱织物产品手感柔软，不易钩丝，具有同样的耐磨性和防切割等级，结实耐用且防护性能良好，在建筑、救援等领域应用前景非常广阔。

4 结论

（1）UHMWPE短纤是目前工业化生产的强度最高的短纤维之一，经过卷曲后也有一定的卷曲度，可用于纺纱、建筑增强等领域；

（2）在涤纶短纤中混入一定比例的UHMWPE短纤可明显提高纱线强度，但当其含量达到一定程度后纱线断裂强度不再增加；

（3）UHMWPE纱线的断裂强度远超一般短纤纱线，可满足特殊领域对高强度纱线的需求，用于开发耐磨、防切割纺织产品。

参考文献

[1] 顾超英，赵永霞. 国内外超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用[J].纺织导报，2010（4）：52-55.

[2] 钱伯章. 超高强度聚乙烯纤维的开发应用进展[J]. 国外塑料，2010，28（4）：62-64.

[3] 廉志军，史贤宁，井连英. 高强高模聚乙烯短纤维及其应用[J].纺织导报，2013（3）：58-60.

[4] 达巍峰. 超高分子量聚乙烯纤维产业现状与发展[J]. 新材料产业，2011（9）：17-20.

从图 2 可以看出，随着纱线中UHMWPE纤维含量的增加，纱线的断裂强度是一个先增加再趋缓，然后略有下降的趋势，发生这种情况的原因比较复杂。纱线的断裂强度取决于纱线断裂时参与断裂的纤维强度和数量，一般情况下，在纱线断裂时有部分纤维只是发生了位置的滑移，并未断裂。UHMWPE纤维的断裂强度大、断裂伸长低，而且表面摩擦系数小，容易滑移，而涤纶断裂强度低、断裂伸长大，纤维的相对滑移情况会少一些。在UHMWPE纤维含量较少时，其强度的贡献非常明显，纱线断裂强度随其含量增加不断增加，但当UHMWPE纤维含量增加到一定程度以后，纤维相对滑移对纱线断裂强度的影响开始起决定作用，纱线断裂强度不再随UHMWPE纤维含量的增加而增加。

3 应用领域探讨

UHMWPE短纤维有广泛的应用领域，除了可用于纺纱生产高强度纱线外，还可以用于建筑增强材料、复合材料骨架等中。宁波大成的研究结果表明，把长度为19 mm的UHMWPE短纤添加到混凝土中，可明显提高其强度指标，掺混量从0.1%到 0.5%，强度指标呈上升趋势，当掺混量为0.5%时立方体抗压强度和轴心抗压强度提高15%左右、抗折强度提高近30%、劈拉强度提高78.9%，增强作用非常明显。

UHMWPE纱线可用于各种防切割、耐磨织物产品，如防护手套等，和长丝相比，短纤纱织物产品手感柔软，不易钩丝，具有同样的耐磨性和防切割等级，结实耐用且防护性能良好，在建筑、救援等领域应用前景非常广阔。

4 结论

（1）UHMWPE短纤是目前工业化生产的强度最高的短纤维之一，经过卷曲后也有一定的卷曲度，可用于纺纱、建筑增强等领域；

（2）在涤纶短纤中混入一定比例的UHMWPE短纤可明显提高纱线强度，但当其含量达到一定程度后纱线断裂强度不再增加；

（3）UHMWPE纱线的断裂强度远超一般短纤纱线，可满足特殊领域对高强度纱线的需求，用于开发耐磨、防切割纺织产品。

参考文献

[1] 顾超英，赵永霞. 国内外超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用[J].纺织导报，2010（4）：52-55.

[2] 钱伯章. 超高强度聚乙烯纤维的开发应用进展[J]. 国外塑料，2010，28（4）：62-64.

[3] 廉志军，史贤宁，井连英. 高强高模聚乙烯短纤维及其应用[J].纺织导报，2013（3）：58-60.

[4] 达巍峰. 超高分子量聚乙烯纤维产业现状与发展[J]. 新材料产业，2011（9）：17-20.