超高分子量聚乙烯纤维的制备工艺及发展概况

宋 超,黄友光,孙艳朋

(1．中化泉州能源科技有限责任公司，福建 泉州 362000；2. 中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362000)

1 前言

作为世界三大高性能纤维之一，UHMWPE纤维具有许多优异的性能，其密度为0.97 g/cm3，制备的产品重量轻，另外UHMWPE纤维具有高强度、耐磨性的特点，还可以耐受强酸强碱等化学品的腐蚀，电磁波透射率也较高，摩擦系数低于许多材料，具有不吸水，生物相容性好等特性[1]。UHMWPE纤维被广泛应用在防弹衣、防弹布、医用材料、雷达天线罩、船用锚绳等诸多领域[2]。

虽然UHMWPE纤维具有许多优异的性能，但同时这种材料也存在一些缺陷，如耐热性差、抗蠕变性能差、复合粘结性差、溶体粘度高导致加工成型难度大的缺点[3]。UHMWPE纤维的熔点在145～160℃之间，较低的熔点限制了其应用范围；材料分子抗蠕变性能差，杨氏模量低，材料分子受力会发生分子间的滑移，导致纤维抗蠕变性能差；材料的复合粘结性差，由于分子不含有其他的极性基团，结构简单，在与其他材料复合时，两种材料之间很难产生较强的作用力，在对UHMWPE材料进行改性和复合时难度较大[4]。

2 优良性能

2.1 抗冲击性

与其他材料相比，UHMWPE具有更为显著的抗冲击强度，所以在一些对抗冲击性要求较高的领域，此材料是最好的解决方案之一。UHMWPE纤维材料的抗冲击强度与钢铁材料相当，大约是PC材料抗冲击强度的1.5倍，与PPS、PET、PP材料相比，UHMWPE的抗冲击强度要远远高于这些常用的树脂和工程塑料材料[5]。

2.2 高强度

图1 UHMWPE纤维材料与其他常见

高强度的特性也是UHMWPE材料能够广泛应用于军工、防弹衣等领域的关键，图1是UHMWPE材料与其他常见纤维材料的强度对比图, 从图中可以看出，UHMWPE的强度明显高于其他几种材料，是芳纶强度值的1.5倍，是碳纤维 (高强)强度值的1.6倍，与E玻璃纤维和高模碳纤维相比，UHMWPE材料的强度值要高出两倍左右，且其强度要远远高于钢纤维[6]。

2.2 优良的耐磨性能

UHMWPE材料具有较低的摩擦系数，静态和动态摩擦系数远远低于其他热塑性材料，如UHMWPE的商品系列材料UTEC的动态摩擦系数是PC材料的1/5，是PPS和PBT材料的1/3，与碳纤维和芳纶等热塑性材料相比，其具有显著的耐磨性和弯曲抗疲劳性[7]。

图2 UTEC材料和各种材料的相对磨损值，测试方法为Braskem internal sand-slurry method，STEEL SAE 1020 相对抗磨损值设定为100[8]

图2比较了UTEC和其他材料的相对抗磨损值，从对比图中可以看出，UTEC的抗磨损值约是商品材料TEFLON (聚四氟乙烯)的1/3，是Steel SAE 1020钢材的1/4，UTEC的抗磨损值远远低于PVC、 HDPE、Polyacetal (聚醛树脂)、Polycarbonate (PC)等材料。

2.3 优异的耐化学腐蚀性

UHMWPE分子由于具有高度的结晶性和取向度，且内部结构致密，没有侧链极性基团，具有优异的化学稳定性，能够耐受大多数的化学物质腐蚀，表1 为UHMWPE纤维和芳纶纤维在不同介质浸泡半年后的强度保持率，从表1中可以看出，UHMWPE纤维相对于芳纶纤维，在各种不同介质中浸泡半年，其强度变化很小[9]。

表 1 UHMWPE纤维和芳纶纤维在化学试剂中

3 生产工艺

自19世纪70年代，UHMWPE材料的制备工艺不断发展和改进，先后经历了高压固态挤出法、增塑熔融纺丝法、冻胶纺丝-超倍拉伸等方法。目前工业化较为成熟的工艺为冻胶纺丝-超倍拉伸法[10]。

冻胶纺丝-超倍拉伸法是用UHMWPE为原料，使用小分子的烷烃作为溶剂，如白油、煤油、十氢萘等作为溶剂，与UHMWPE原料混合，并加入一定量的抗氧化剂，最后配制成稀溶液，UHMWPE树脂在溶剂中发生溶胀、溶解，使得分子链在溶液中缠结，混合物转移到双螺杆挤出机进行混合挤出，通过喷丝板挤到凝固浴中形成初生纤维，初生纤维的模量和强度都比较低，将初生纤维进行萃取和干燥处理，然后进行超倍热拉伸，纤维的结晶度和取向度增加，UHMWPE纤维分子由折叠链变成伸直链结晶，最后制备成UHMWPE纤维[11]。冻胶纺丝-超倍拉伸法是目前唯一实现大规模工业生产UHMWPE纤维的工艺方法。

图3 干法冻胶纺丝工艺流程图

冻胶纺丝-超倍拉伸法根据使用溶剂的挥发性不同分为两条不同的工艺路线，使用高挥发性溶剂，如十氢萘，这种工艺路线被称作干法路线，图 3是干法冻胶纺丝工艺流程图；使用低挥发性溶剂，如煤油、白油等，这种工艺路线被称作湿法工艺路线。干法路线相对于湿法路线有诸多优点，如干法工艺流程短、工艺更环保、生产的纤维强度更高等，且干法工艺流程中UHMWPE纤维所含溶剂少，更易处理。

4 行业发展概况

根据Grand View Research公司的一项研究预测，到2022年，全球UHMWPE市场预计将达到26.0亿美元。2017年中国对于UHMWPE纤维的需求量大约在1.5～1.8万吨，目前UHMWPE纤维国内产能已超过9000吨，出口量已经超过总产量的50%，远远不能满足市场需求，所以发展UHMWPE纤维具有广阔的市场空间。在UHMWPE纤维的应用领域，军工产业约占总国内总需求结构的40.7%，在民用领域，海洋产业缆绳需求比例较大，主要用于制作锚绳、船用缆绳等产品，约占总国内总需求结构的29.07%，其中光缆绳一项产品对于UHMWPE纤维的需求量就在3000吨以上，另外随着材料相关性能的提升，UHMWPE纤维已能够成熟应用于雷达罩材料，预计雷达罩产品对于此种纤维的市场需求量在3000吨左右。

我国UHMWPE纤维已经具备规模化生产技术，生产的产品质量已经可以接近国际先进水平，目前世界上大约有13家UHMWPE纤维生产龙头企业，中国企业就占到一半以上；目前国内从事UHMWPE纤维生产的企业主要有北京同益中，湖南中泰，山东爱地，宁波大成，中石化仪征化纤，剑乔科技等企业，其中北京同益中和山东爱地UHMWPE纤维项目的计划产能为5000t/a，其中山东爱地是荷兰DSM集团在中国的合资企业，拥有5000t/a的UHMWPE纤维生产装置，产能预计达到亚洲第一，世界第二。中石化仪征化纤公司是我国最早建设UHMWPE纤维干法纺丝产线的公司，目前拥有2套超高分子量聚乙烯纤维干法纺丝装置，产能1300t/a，相关干法纺丝技术填补了国内空白，打破了干法纺丝技术国际垄断。

5 结语

UHMWPE纤维具有优异的性能，在诸多领域有着广泛应用，但其生产成本高，在民用领域应用不够普遍，随着工艺的不断改进，生产成本将逐步降低，其在民用领域的应用将更加普遍；另外材料本身的一些缺陷限制了其广泛的应用，所以对UHMWPE材料进行改性以降低降低蠕变等缺陷，以及增强与材料的复合性能将会是未来主要的研究方向。