我国超高分子质量聚乙烯纤维产业检测标准现状及需求

梁 燕，邱星翔，蒋干兵，胡伟伟

（1.江苏省高性能纤维产品质量监督检验中心，江苏连云港 222047；2.连云港神特新材料有限公司，江苏连云港 222047）

1 超高分子质量聚乙烯纤维概述

超高分子质量聚乙烯纤维（Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Fiber，简称为UHMWPE 纤维），是以分子质量超百万的超高分子质量聚乙烯为原料，采用冻胶纺丝方法制成的纤维。UHMWPE 纤维具有简单、但近乎完美的碳氢伸直链结构，结构对称、规整，取向度高，具有独特的综合性能，广泛应用于军事防护、海洋工程等领域。

UHMWPE 纤维的开发是在特种纤维的需求不断成长的趋势下，继碳纤维和芳香族纤维之后，出现的又一种高性能纤维。人们对UHMWPE 纤维的研究始于20 世纪70 年代。1979 年，荷兰帝斯曼（即DSM）公司采用冻胶纺丝与超倍热拉伸方法率先在实验室制得了UHMWPE 纤维并申请了专利。1990年，该公司实现了UHMWPE 纤维的工业化生产[1,2]；1982年，美国联信（1999年与美国霍尼韦尔公司合并，合并后称霍尼韦尔）公司在购买DSM 公司专利权的基础上，经过技术改进，以矿物油溶剂替换DSM 公司的十氢萘溶剂，成功取得自行研发技术专利，并于1984 年开始产业化进程[3]。1984 年，DSM 公司与日本东洋纺合资建厂，并于1989 年在日本批量生产。目前，国际上工业化生产UHMWPE 纤维的企业主要是荷兰DSM、美国霍尼韦尔和日本东洋纺三大公司。

我国于20 世纪80 年代初开始进行国产UHMWPE 纤维的研究与开发，东华大学、中国纺织科学研究院等科研院所先后进行了一系列技术研究，开发出高浓度原液纺丝技术。我国成为世界上继美国、荷兰之后的第3 个拥有自主知识产权生产UHMWPE纤维的国家[4]。经过多年发展，我国UHMWPE 纤维生产能力不断进步，生产技术不断突破，已具备规模化生产能力，国内总产能已经大于国外总产能，产品质量达到同类产品国际先进水平，市场竞争力不断提高，行业保持了良好的发展势态，纤维产品在各应用领域用量也都有不同程度增长[5]。

尽管UHMWPE 纤维具有许多优良的性能，但也存在应力作用下易蠕变、耐热性差、流动困难、加工性差、粘结性差、压缩强度低等缺陷。对于UHMWPE 纤维来说，这些缺陷很大程度上，限制了其在许多重要领域中的应用，是当前也是今后一段时间内亟待解决的技术难题。

2 我国超高分子质量聚乙烯纤维产业检测标准现状及需求

虽然我国UHMWPE 纤维产业化已经取得重大进展，但与世界先进国家相比，在产业化核心技术、纤维产品标准、生产配套装备、纤维后道开发等方面还存在一定的差距，特别是相关产品的检测标准一直处于相对滞后状态。由于对纤维部分关键性能指标测试方法及检测标准缺乏统一的技术要求，限制了我国UHMWPE 纤维在相关领域的开发应用。

我国UHMWPE 纤维相关现行有效的检测标准主要有FZ/T 54027—2010《超高分子量聚乙烯长丝》[6]、GB/T 29554—2013《超高分子量聚乙烯纤维》[7]、GB/T 19975—2005《高强化纤长丝拉伸性能试验方法》[8]等产品及方法标准。

2.1 比较解析现行产品标准

FZ/T 54027—2010《超高分子量聚乙烯长丝》于2010 年12 月29 日发布，2011 年4 月1 日正式实施。标准规定了超高分子质量聚乙烯长丝的术语和定义、分类和标识、技术要求、实验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存的要求。适用于名义线密度范围在55dtex-3555dtex 的超高分子质量聚乙烯长丝的鉴定和验收，其它超高分子质量聚乙烯长丝可参照使用。

GB/T 29554—2013《超高分子量聚乙烯纤维》于2013 年07 月19 日发布，2014 年3 月1 日正式实施。标准规定了超高分子质量聚乙烯纤维的的分类和标记、要求、实验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等。适用于线密度范围在55dtex-6650dtex 的超高分子质量聚乙烯纤维，线密度低于55dtex 或高于6650dtex的超高分子质量聚乙烯纤维可参照使用。

GB/T 29554—2013 与FZ/T 54027—2010 标 准相比，相同之处在于对于拉伸性能测试的断裂强度、初始模量两个指标，均引用GB/T 19975 方法标准测试执行。区别是GB/T 29554—2013 除了提供以化纤行业常用的“cN/dtex”为量纲单位的断裂强度、初始模量的考核指标外，还增加了复合材料行业常用的以“MPa”、“GPa”为量纲单位的拉伸性能考核指标，方便生产企业和下游相关应用单位对纤维拉伸性能指标的统一测试比较。另外，由于纤维含油率指标的重要意义，GB/T 29554—2013 引用了GB/T 6504 含油率测试方法标准，增加其作为产品性能考核指标。

尽管GB/T 29554—2013 标准提供了“MPa”、“GPa”为量纲单位的断裂强度和初始模量的考核指标，但引用方法标准GB/T 19975—2015 并未设置弹性模量由“cN/dtex”到“GPa”量纲的换算公式，产品标准GB/T 29554—2013“GPa”为量纲的初始模量值缺少换算依据。因此，为了增强标准的适用性和严谨性，需及时对产品标准进行修订。

另外，由于我国UHMWPE 纤维生产企业均有自己的一套等级分类标准，纤维成品指标、等级高低不一，造成现行UHMWPE 纤维产品标准的引用率并不高。建议在对检测方法规范化、标准化的基础上，对纤维产品各个规格的等级分类进一步进行规范，促进我国UHMWPE 纤维市场的规范化管理。

2.2 规范完善现行拉伸性能测试标准

UHMWPE 纤维拉伸性能是其一个重要性能指标，拉伸性能的优劣直接决定了产品性能的好坏。目前，针对UHMWPE 纤维的性能测试方法主要是其强度、模量等常规的拉伸性能的测试。GB/T 19975—2005 标准主要规定了高强化纤长丝的断裂强度、断裂伸长率、初始模量和拉伸蠕变性能的实验方法，适用于UHMWPE 纤维拉伸性能测试。

该标准规定，UHMWPE 纤维拉伸性能测试采用等速伸长拉伸实验仪，同时建议断裂强力较大时，例如断裂强力大于200N 时，采用不易打滑和断夹口的绳线用夹具。通过大量的测试实验发现，由于UHMWPE 纤维高比强度、高比模量，其拉伸性能测试对等速伸长拉伸实验仪和夹具的要求比一般纤维高得多，它要求拉伸实验仪的夹具既能夹紧纤维试样在拉伸实验中不打滑，又不因加持力过大而损伤纤维。而现行UHMWPE 纤维拉伸性能测试标准中，对适宜拉伸的检测仪器的规范方面基本是缺失的。以等速伸长拉伸实验仪为例，标准中对实验仪的夹具规格、仪器的参数设定、检测程序所需性能指标的参照计算公式等并未作出相应规范。这就容易造成不同生产企业和检测单位在对UHMWPE 纤维拉伸性能进行测试的过程中，由于使用设备的夹具规格、有效拉伸隔距、应变范围选择等不同，导致测试结果数值出现差异，质量判定上出现等级差异，不具有可比性。因此，建议进一步明确拉伸性能测试标准中的相关检测仪器设置并规范检测方法，以便正确测试得到UHMWPE纤维拉伸性能指标。

2.3 结合应用，完善蠕变性能测试标准

拉伸蠕变是指材料在一定温度和恒定应力作用下，其形变随时间的增加而逐渐增大的现象，表征增强型材料在恒定负荷作用下的尺寸稳定性。UHMWPE 纤维耐蠕变性能较差，由于纤维本身的这一特性，其产品尺寸、形态稳定性差，极大地局限了其在绳索、绳缆等领域的应用，蠕变问题受到越来越多的关注[9]。纤维蠕变性能影响因素很多，大致可分为内部因素与外部因素。内部因素主要是与材料本身有关，包括材料分子结构、相对分子量大小、分子链柔性、取向、交联等，外部因素主要有蠕变载荷、拉伸速度、蠕变时间、纤维测试长度等。

我国现行标准中针对UHMWPE 纤维蠕变性能测试参照GB/T 19975—2005 标准相关规定执行。该标准主要针对的是高强化纤长丝在标准大气环境下，温度在（20±2）℃下的蠕变性能测试。而UHMWPE纤维在实际使用过程中，将会在室温至160℃以上承载着不同的应力。现行标准中对蠕变载荷、拉伸速度、蠕变时间、纤维测试长度这些影响测试结果的主要因素没有明确规定，不能真实反映出UHMWPE纤维在下游产品制造过程中的实际温度环境。因此，应对UHMWPE 纤维蠕变性能测试标准进行完善，确定具体测试过程中各个实验参数以及蠕变性能指标，进而正确表征其拉伸蠕变性能。

2.4 满足需求，建立老化性能测试标准

UHMWPE 纤维具有高强高模、耐腐蚀、耐磨损、柔韧性好等优良性能，是制造海洋渔业用缆绳的优秀材料。作为海洋渔业用UHMWPE 纤维，在高强受力状态，长期处于紫外辐照、海水浸泡等多种老化环境的影响，其性能随着老化时间下降，进而有可能造成安全问题。

目前，针对UHMWPE 纤维的检测方法和标准，大多集中在物理、机械性能的研究，尚未系统开展相关UHMWPE 纤维老化性能测试方法的研究。海洋环境使用的UHMWPE 纤维的老化过程主要受到盐雾、温度、湿度、辐照等因素的影响，应尽快建立可模拟纤维在受力状态下的老化过程实验方法，测试UHMWPE 纤维的老化性能指标，进一步拓展UHMWPE纤维在海洋渔业领域的应用。

3 结语

综上所述，针对我国UHMWPE 纤维产业现状，亟需针对现行UHMWPE 纤维相关产业标准和关键性能检测标准的适用性进行修正，完善拉伸性能、蠕变性能等测试标准，以适应产业的发展的需求。同时，针对UHMWPE 纤维其它关键性能指标如老化性能、凉感性能等，制定适宜的测试方法，才能对超高分子质量聚乙烯纤维性能进行准确评价，拓展产品应用领域和范围，从而更好地推动我国超高分子质量聚乙烯纤维产业的发展。