超高分子量聚乙烯纤维与连续玄武岩纤维

文/中国产业用纺织品行业协会 赵东瑾

超高分子量聚乙烯纤维与连续玄武岩纤维

文/中国产业用纺织品行业协会 赵东瑾

UHMWPE是目前世界上比强度和比模量最高的纤维；而CBF具有综合性能好、性价比高的特点

超高分子量聚乙烯纤维

名词解释

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，是分子质量在100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。它与芳纶（对位芳纶PPTA、间位芳纶PMIA）、碳纤维（CF）并称为当今“世界三大高科技纤维”。由于UHMWPE纤维具有众多的优异特性，它在高性能纤维市场上，包括从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大的优势，在现代化战争和航空、航天、海域防御装备等领域也发挥着举足轻重的作用。

UHMWPE纤维是我国唯一具有国际竞争力的高性能纤维，加大国产化工艺技术的开发和研究，对打破国外对我国相关产业的技术垄断，及对促进和引导我国纺织工业结构调整、提高产品附加值有着重要意义。

独特性能

UHMWPE纤维一个突出优点是质轻，密度为0.97g/cm3，在所有高性能纤维中密度最小，是唯一能够漂浮在水面上的高科技纤维。UHMWPE纤维的优越性在于其具有亚甲基相连（－CH2－CH2－）的超分子链结构，没有侧基，结构对称、规整，单键内旋转位垒低，柔性好。相关研究表明，即使在-150℃的环境下，仍保持良好的耐挠曲性，无脆化点。由于UHMWPE纤维大分子链结构规整，纤维沿轴向高度取向，结晶度高，因此赋予其优良的力学性能。

UHMWPE纤维模量很高，具有突出的抗冲击性和抗切割性能，抗拉强度是同等线密度钢丝的15倍，比芳纶还高40%，是普通纤维和优质钢纤维的10倍，仅次于特级碳纤维。由于UHMWPE纤维分子结构（－CH2－CH2－）不含易与接触物质发生反应的羟基、芳香环等基团，因此具有化学和光学惰性。

强酸、强碱及有机溶剂均对UHMWPE纤维强度几乎没有任何影响，化学稳定性极好；而且，在经1500h日晒后，纤维强度仍高达80%，耐候性、耐紫外性能特别优越。此外，UHMWPE纤维还有良好的耐磨性与生物共存性。

UHMWPE纤维由于其独特的优异性能，在安全防护、航空航天、国防装备、造船业等领域发挥着举足轻重的作用，其纤维长丝可直接用作防弹、绳缆、高压容器材料，其纤维增强复合材料可用于船舶及飞机骨架结构、运动器械、人造关节等材料。当然，由于UHMWPE纤维分子链结构单一的特征，也使得该纤维耐蠕变性能差，在受到长时间外力作用时，分子链之间易滑移，产生蠕变。另外，该纤维还具有表面加工困难，不易染色，不易与其他材料粘接等缺点。

UHMWPE纤维在高性能纤维中强度、模量仅次于碳纤维。断裂伸长率比碳纤维、芳纶都要高，柔韧性好，在高应变率和低温下力学性能仍然良好，抗冲击能力优于碳纤维、芳纶及一般玻璃纤维，是一种非常理想的防弹、防刺安全防护材料。其复合材料比冲击总吸收能量分别是碳纤维的1.8倍，芳纶的2.6倍，E玻璃纤维的3倍。其复合材料的防弹能力是芳纶装甲结构的3.6倍，防弹头盔是效果相同的芳纶纤维头盔质量的2/3。

当然，UHMWPE纤维也存在很明显的缺点：不耐高温，这是由于UHMWPE纤维分子链无侧基，分子链间作用力以范德华力为主，流动活化能小，熔点低，小于160℃。另外，抗压缩和抗蠕变性能也较差，并且树脂浸润性较差，有较高的可燃性，这就限制了UHMWPE纤维的使用范围。

高性能深海无结经编绞捻网片。

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)。

生产工艺

自20世纪70年代起，国外许多企业、研究机构经历数十年的研究，探索出了多种生产UHMWPE纤维技术路线，有熔融纺丝—高倍热拉伸法、凝胶纺丝—高倍热拉伸法、表面结晶生长法、Porter固体挤出法等。研究表明，制备UHMWPE纤维的关键是提高拉伸倍数，这样有助于提高纤维的结晶度与取向度，使呈折叠链状的片晶结构向伸直链结构转化，从而极大地改善纤维强度和模量。

目前，熔融纺丝和凝胶纺丝（又称冻胶纺丝法）是世界上工业化生产的主要方法。20世纪80年代后期，美国Hoechst-Celanese公司成功取得UHMWPE纤维熔融纺丝—高倍热拉伸技术，商品定名“Certran”；随后意大利的Snia公司也开发了类似纤维。缺点是熔融纺丝法制得的纤维性能低于凝胶纺丝法的纤维性能，因此未能得到更大发展。目前世界上最成功的UHMWPE纤维工业化生产方法是凝胶纺丝—高倍热拉伸工艺，世界上UHMWPE纤维的主要生产商荷兰DSM、美国Honeywell、日本Mitsui和我国均采用凝胶纺丝工艺。凝胶纺丝法，近些年来国外和国内各公司分别从改变溶剂和萃取剂、改进溶胀工艺、改进萃取工艺等多方面进行了改良，形成具有各自知识产权的生产工艺。UHMWPE凝胶纺丝工艺主要有两大类：一类是干法工艺路线，即高挥发性溶剂干法凝胶纺丝工艺路线；另一类是湿法工艺路线，即低挥发性溶剂湿法凝胶纺丝工艺路线。

采用的溶剂和后续工艺是这两种工艺路线的最大区别，由于两类溶剂特性区别大，从而后续溶剂脱除工艺也完全不同，各有优势。

国内以石蜡油为溶剂的湿法路线目前较为成熟，而且国际上有关石蜡油为溶剂的工艺专利已过期，以十氢萘为溶剂的工艺仍涉及到侵权问题。而以石蜡油为溶剂的工艺又有工艺实施方式和设备配置的区分，因此设备投资差距也较大。

常熟绣珀纤维有限公司将凝胶原丝依次经萃取、干燥及热拉伸过程，生产的UHMWPE纤维纤度低，抗断裂强度高，生产成本低，于2010年获得国家专利。

东华大学开发了高浓度原液纺丝技术，将聚乙烯原料和溶剂与抗氧剂混合加热形成凝胶块，经粉碎、去溶剂得到聚乙烯的纺丝原料，再经过螺杆熔融后挤出纺丝，预拉伸卷绕，再通过萃取、干燥和热超倍拉伸工艺制得UHMWPE纤维产品，并建成了单线年产250 吨的生产线。该工艺不仅对纺丝过程严重降低相对分子质量和螺杆效率低的问题得到改善，又弥补了现有技术毒性与污染大和生产成本高的不足。

宁波大成新材料科技有限公司（以下简称宁波大成）发明了混合溶剂的凝胶纺丝技术，以分子质量高达400万以上的聚乙烯为原料，制备高浓度纺丝原液，采用双螺杆挤压均化技术，多辊多组超倍牵伸技术，确保了UHMWPE纤维拉伸倍数超过45倍、直径偏差率低于5%。宁波大成的UHMWPE纤维制成的防弹衣指标已达到国际先进水平。

2009年11月，仪征化纤、南化集团及中国纺织科学研究院联合开发了产能300吨/年的UHMWPE纤维的干法纺丝成套技术，填补了国内UHMWPE纤维干法生产工艺的空白。但与荷兰DSM公司等世界先进的UHMWPE纤维厂商技术比较，我国的干法纺丝技术和产品质量还存在一定差距，表现在单线产能、产品强度和均匀性等方面有待改进。之前，国内外产能状况UHMWPE纤维全球产能分布高度集中，世界上工业化生产UHMWPE纤维的企业主要是荷兰的DSM、美国Honeywell和日本Toyobo三大公司。

随着我国取得自主知识产权，如今我国的UHMWPE纤维生产技术也得到快速提升。目前，世界UHMWPE纤维总生产能力为34800吨/年左右，其中荷兰生产能力约为6000吨/年，美国生产能力约为3000吨/年，日本生产能力约为3200吨/年，中国的生产能力约为21600吨/年，已经占世界UHMWPE纤维总产能的62%。

应用领域

作为世界三大高性能纤维之一的UHMWPE纤维，比强度是优质钢材的15倍，是碳纤维的2.6倍，是芳纶的1.7倍，是玻璃纤维和尼龙66的4倍。具有良好的耐化学性、耐海水腐蚀性、耐摩擦性、耐切割性、生物相容性等，广泛用作防弹、防割、绳索、加固等材料，主要用途有以下几个方面。

上图：超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE) 汽车绞盘绳。

下图：高强度绳索，多色超高分子量聚乙烯纤维绳索。

海洋产业

UHMWPE纤维具有高强高模、耐腐蚀、耐磨损、耐光照、柔韧性好的特征，是制造绳缆的优秀材料。由于质量轻，密度只有0.97g/cm3，是高性能纤维中密度唯一小于1g/cm3可漂浮于水上的纤维，用其制造的绳索可漂浮于水上；UHMWPE纤维绳索强度更高，在自重下的断裂长度是钢绳的8倍，是芳纶绳的2倍；UHMWPE纤维耐光性好，在日光照射1500h后强度仍能保持在80%以上，但芳纶经日光照射后强度会急剧下降；UHMWPE纤维化学稳定性好，在海水中能有效解决钢绳的锈蚀问题和尼龙、聚酯缆绳在海水中的水解和紫外降解问题，因此，UHMWPE纤维绳索尤其适用于船只和海洋工程。

另外，UHMWPE纤维制成的钓鱼线，其高模高强的优势能传递深海几百米深的鱼上钩的信息，特别是甩钩使用的钓鱼线比同类产品更细，空气阻力小，抛投距离长，深得用户好评。UHMWPE纤维制成的渔网比相同强度下普通的纤维要轻至少40%，无吸水性、耐紫外线、强度高，网丝细，加工成养殖网箱固定性好，力学性能好，有效地防止了食肉鱼对经济鱼的猎杀，降低了养殖成本。用作拖网阻力小，减少渔船能耗，提高了捕捞效率。利用UHMWPE纤维高强质轻、柔韧、耐海水腐蚀和紫外降解的特性，在海洋产业中广泛用作深海抗风浪网箱、自力绳索、重载绳索、救捞绳、拖拽绳、帆船索、船帆、渔具、超级油轮、海洋操作平台、灯塔等固定锚绳等方面。目前，国内外海事管理部门已经相继出台相关政策，要求出海船只对重达100kg的UHMWPE纤维绳缆至少配备一条，替代传统钢绳。据预测，UHMWPE纤维在海洋产业领域的年需求量在5000吨/年。

左图：大成高性能软质防弹衣 最新款反恐反暴软质防弹防刺服。

右图：彩色高强高模聚乙烯纤维、高强度聚乙烯纤维。

安全防护

安全防护用品是目前UHMWPE纤维的主要应用领域，单是用于生产防弹衣、防刺服、防弹板、防弹装甲的核心材料的防渗透布（LID）的生产就占UHMWPE纤维总量的45%以上。除单向布外，还有非织造布、各种机织、针织材料也可用于防弹、防刺服的生产。据预测，在国防军工和安全防护产品领域的年需求量在6000吨/年以上。

UHMWPE纤维防护用品与芳纶、碳纤维及陶瓷、钢铁、合金类防护用品相比，在保证防护性能的前提下，UHMWPE纤维制成的防护材料超轻且能很好解决非贯穿性伤害。法国维和部队配备的UHMWPE纤维制成的防弹衣和防弹插板全套重量不超过5kg，能够完全能抵御北约5.56mm、俄制7.62mm突击步枪普通弹的攻击。

在轻质装甲方面，UHMWPE纤维已用来制造软质防弹衣、硬质防弹头盔、运钞车车体、防弹橡胶增强材料、坦克装甲、装甲车装甲、直升机防护装甲、雷达防护外壳、导弹罩、防切割手套、防割套袖等。据报道，装甲一辆坦克或装甲车就需要UHMWPE纤维单向UD材料400kg或更多，如果装备一个师就要240吨。据预测，如果全国银行系统保卫人员全部装备该产品，UHMWPE纤维需求量将超过1000吨。

近年来，国内每年关于UHMWPE纤维在防切割手套行业的用量增长迅速，从2011年的1200吨增长到2014年的1860吨，UHMWPE纤维防切割手套的出口量也超过韩国，成为世界最大的UHMWPE纤维防切割手套出口国，出口占国内加工量的95%以上。据预测，2015年国内外UHMWPE纤维防切割手套纤维用量在3750吨，到2018年将达到5000吨，在未来5年防切割手套的年增长率将保持在10%以上。

体育用品

UHMWPE纤维复合材料比强度比模量高，韧性和损伤容限比传统材料好，其制作的运动器械质轻且结实耐用，用UHMWPE纤维制作的网球拍、高尔夫球网、棒球网、滑雪板、冲浪板、击剑服、赛艇、帆船、钓竿等体育用品，深得使用者的喜爱。据测算，该领域的年需求量在300吨/年。

建筑加固

UHMWPE纤维与普通加固增强材料相比，具有较好的增稠效果，有效抑制了轻骨料的上浮，提高了轻骨料混凝土的均匀化。高强高模的UHMWPE纤维可协同轻骨料受拉、抑制裂纹的扩展，有效提高了轻骨料混凝土的各项力学指标。掺混UHMWPE纤维的混凝土材料脆性低、韧性高，弯曲韧度系数是普通混凝土的14倍。常用作墙体、隔板结构、增强水泥复合材料、石棉水泥制品、建筑工程加固复合材料等，该领域的年需求量在300吨/年左右。

左图：玄武岩纤维单向布。

右图：玄武岩纤维复合筋。

航空航天

UHMWPE纤维质轻高强的特征，被应用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构、飞机驾驶舱内壁、飞机座舱防弹门浮标飞机和航天飞机的着陆用减速降落伞等，在该领域的年需求量在200吨/年左右。

其他复合材料的应用

UHMWPE纤维的生物相容性、耐久性、化学稳定性好，不会引起人体的过敏反应和生物排斥反应，是制作牙科用丝线、医用移植线、牙托材料、人造关节、人造韧带、人造肢体等的优良材料，在医疗卫生领域的年需求量在100吨/年。UHMWPE纤维介电常数、介电损耗值小，电信号失真小，透射系数高，用于雷达罩基材均高于现用玻璃纤维的各方面性能参数，是制作高性能轻质雷达罩的首选材料。

UHMWPE纤维高强高模的性质及能耗的特点使得制成的高性能薄壁高压容器，耐化学腐蚀，强度好，能用于存储较为广泛的气体或液体介质。它的形状转化效率高达97%，耐压容器性能系数比芳纶制品高45%。虽然UHMWPE纤维比强度、比模量在所用纤维中无可比拟，但存在不易染色，耐热性差，与树脂粘结性差的缺陷，用途受限。常常需要对其采用液态氧化法、等离子体处理法、辐射接枝处理法、电晕放电处理法、光氧化表面处理法、光致交联处理法等方法进行表面改性。

连续玄武岩纤维

名词解释

连续玄武岩纤维（CBF）是前苏联经过了多年的研究开发而发明的高科技纤维。由于它性能优异、性价比好，应用领域广泛，极具发展前景，尤其是最近几年，中国也有了CBF的批量生产。因此，我们现在开展对CBF的研讨活动是非常有现实意义的。CBF是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。它与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）等其他高科技纤维相比，具有很多独特的优点，如力学性能佳，耐高温性能好，可在-269～700℃范围内连续工作，耐酸耐碱，抗紫外线性能强，吸湿性低，有更好的耐环境性能，此外，还有绝缘性能好、高温过滤性佳、抗辐射、良好的透波性能等优点。

以CBF为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、车船制造、工程塑料、建筑等军工和民用领域，故被誉为 21世纪的新材料。近几年来，由于CBF良好的综合性能和性价比，越来越被材料界和用户看好。

独特性能

众所周知，没有一种纤维的性能或功能是可以“包打天下”的，每一种纤维都有它独特的性能和应用的市场。而CBF具有综合性能好、性价比高的特点，这是其他纤维所难以比拟的，堪称21世纪无污染的“绿色工业材料”。

玄武岩纤维短切纱。

CBF的使用温度范围为-269～700℃（软化点为960℃），而玻璃纤维为-60～450℃。CBF 在400℃下工作时，其断后强度能够保持85% ；在600℃下工作时，其断后强度仍能够保持80%的原始强度；如果CBF预先在780～820℃下进行处理，还能在860℃下工作而不会出现收缩，而即使耐温性优良的矿棉此时也只能保持50%～60%的强度，玻璃棉则完全破坏。

C B F的 抗 拉 强 度 为3800～4800MPa，比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都高，与S玻璃纤维相当。

以同属硅酸盐的火山喷出岩为原料制成的CBF，耐酸碱性强。试验发现，CBF在饱和 Ca(OH)2溶液以及在水泥等碱性介质中耐久性好，能保持高度的稳定性，可代替钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料，制作桥梁等大型建筑的结构件。

利用CBF较高的抗拉强度和抗剪切强度这一特性，加之CBF具有天性的与水泥、混凝土的亲和力和耐碱性，在建筑增强领域的应用已显示出它独特的优势和发展潜力。

CBF的耐酸性超过了一般用作耐酸玻璃钢增强材料的ECR玻璃纤维。而且玄武岩中含有质量分数不到0.2的导电氧化物，可能是氧化铁、氧化钛成分，使其具有了一定的吸波性能。

应用领域

美国德克萨斯州的CBF工业联盟指出：“CBF是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的不致癌绿色健康玻璃质纤维产品。美国作为世界环境保护的倡导者，将全力发展无污染的绿色工业材料，所以CBF在复合材料的增强材料领域的应用，已引起广泛的重视并将快速发展”。

军工领域

CBF是21世纪在国防军工领域有着非常重要应用潜力的一种高技术纤维。以CBF为增强体可制成各种性能优异的复合材料，在航空航天、火箭、导弹、战斗机、军舰、坦克等武器装备的国防军工领域有广泛的应用，可促进军队武器装备的升级换代，增强军队的战斗力；可在某些领域替代碳纤维，节约相关武器装备的制造成本；可形成新的军民两用技术，寓军于民，有力推动我国重大高科技产业的形成。因此，开展CBF在国防军工领域的应用研究有着十分重要的战略意义和现实意义。

连续玄武岩纤维无捻粗纱。

汽车内饰领域

此外，CBF非织造材料在汽车内饰中的应用潜力巨大。汽车工业是纤维材料的一个巨大的市场。虽然现在汽车非织造材料主要使用聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维和天然纤维等，但是CBF的绝热、隔音，尤其是其优良的过滤性能和阻燃性能是其他纤维所不能比拟的。

建筑领域

CBF将带给建筑材料业一场革命。我国一些原来用聚丙烯纤维增强水泥混凝土的化学建材企业，积极采用CBF增强硅酸盐水泥及其混凝土；另一些建筑加固企业采用CBF片材替代碳纤维用于建筑桥梁的加固、补强和修复，也取得了较好的效果。CBF在建筑行业的应用主要表现在以下几个方面：

在混凝土增强领域的应用。现在的混凝土增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、对位芳纶、钢纤维和CBF。增强的主要目的是提高制品的抗拉强度和建筑工程的防渗抗裂等。从强度方面看CBF占有绝对的优势，它的抗拉强度都高于以上增强材料，增强效果最好。从耐碱性方面看，CBF略逊于碳纤维和对位芳纶，但好于玻璃纤维和钢纤维。从与混凝土的相容性来看，CBF与混凝土有着基本相同的成分，密度也较接近，所以CBF的相容性和分散性好于其他增强纤维。例如用CBF增强铁路水泥枕木可解决其耐久性，尤其适合在青藏高原等气候多变地区的使用。

在建筑修复、加固和更新领域的应用。碳纤维加固补强织物是一种高科技含量和高成本的产品。目前使用的补强材料是碳纤维和芳纶，主要是利用材料的强度和弹性模量。从强度方面，CBF的强度并不逊于碳纤维，且比芳纶高，虽然弹性模量不如碳纤维，但是在与树脂的亲合性上，CBF远远好于碳纤维和芳纶，有效地改善了补强效果和补强材料的使用寿命。尤其是CBF用于桥梁和立柱缠绕加固，其效果与使用碳纤维没有差异。这一重大发现是东南大学土木工程学院通过CBF与碳纤维在同等条件下的对比实验后得到的。从性价比看，CBF的价格大大低于碳纤维和芳纶，所以CBF有极大的竞争优势，是碳纤维和芳纶加固抗震补强材料的首选替代产品。它可广泛用于梁、柱、板、墙等结构的补强，也可用于桥梁、隧道、水坝等其他土木工程的加固，尤其是抗震加固。初步的应用研究证明，CBFRP（连续玄武岩纤维复合材料）的筋又是一种替代碳纤维、芳纶等连续纤维复合材料筋的新型建筑材料，可主要用于代替钢筋，用于环境条件严酷的混凝土中，根本解决钢筋锈蚀问题，提高混凝土结构的耐久性。

土工领域

采用土工格栅对路面进行加盘处理，已经成为道路建设的一个研究方向。土工格栅的主要作用是抗疲劳开裂、耐高温车辙、抗低温缩裂、延缓反射裂缝等。所以在高等级公路、大桥桥面、市政道路及机场路面等要求较高的道路工程广泛应用。目前，土工格栅材料主要是玻璃纤维和塑料两大类。CBF及其土工材料的各方面性能均好于以上两种材料，主要优点是：抗拉强度高、延伸率好；无长期蠕变；热稳定性好；与沥青混合料的相容性强；理化稳定性好；耐低温性好等。