超高相对分子质量聚乙烯纤维树脂基复合材料性能研究

孙元荣，邢伟光，胡聪丽，郝名扬

（1.艾郎科技股份有限公司，上海 200135；2.重庆国际复合材料股份有限公司，重庆 400082）

0 引 言

复合材料是将2 种或2 种以上的物理、化学等不同性质的材料组合起来，形成1 种新的材料，组成后的材料不仅性能优于各组分材料，而且还具有各组分材料不具有的独特性能。纤维与树脂组成的纤维复合材料，具有高度的各向可设计性，它的各种性能，可按照不同的设计需求排列纤维的方向，特别是强度、模量性能随设计的不同而不同，能够合理地选择、使用材料。

复合材料从用途上可以分为结构复合材料和功能复合材料2 大类。目前常用的纤维增强复合材料，又可以根据其纤维种类，基体材料和纤维性状进一步细分。目前风力发电机组叶片使用的材料就主要由复合材料组成，其主要是由树脂基体材料和纤维增强材料两种组分组成的结构型复合材料。叶片设计中用到的材料主要有：纤维增强体、树脂基体、夹芯材料（包括Balsa、PET、PVC、HPE 等）、结构胶粘剂、表面防护漆和金属连接件等。目前大型风力机叶片大多采用玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料，局部区域采用夹芯材料，以4.0 MW 的叶片为例，叶片总质量约26 t，其中90%以上的质量为不同组分的复合材料。可见，复合材料在风力机叶片中占有举足轻重的地位。以某4 MW 叶片为例，其主要组成材料见表1。

表1 某4 MW 风力发电机组叶片组成材料Table 1 The components for the 4 MW wind turbine blade

随着风力发电叶片机组单机容量的快速提升，更长、更轻的百米级叶片成为海上叶片的主流，陆地叶片长度主要在80~100 m 之间，同时朝着更低成本方向发展[1-2]。为进一步降低叶片大型化发展带来的质量影响，风机叶片急需轻量化设计，这对叶片材料的强度和刚度等性能提出了更高的要求，因此未来叶片发展的方向为采用质量轻、高比模量、高比强度的纤维增强材料。2021 年，风电市场报价，除整机报价已低至大约1 600 元/kW（不含塔筒成本），比起前两三年几乎是腰斩，因此叶片长度、质量、成本等多个因素制约了高性能、超长、轻量化风机叶片的发展，为解决这一问题，这里就需要大力研发新型复合材料的创新应用，在材料性能能够提高的同时，材料使用成本也需要在一个可接受的范围之内。由于目前碳纤维的价格达到120 元/kg 左右，是玻璃纤维价格的10 倍多，因此急需寻找一种介于玻璃纤维和碳纤维之间的新型纤维，是风电行业的一个热点研究方向。在性能相同的条件下，目前超高相对分子质量聚乙烯纤维的价格是碳纤维的30%，因此超高相对分子质量聚乙烯纤维具有极大的性价比优势。表2 列出了超高相对分子质量聚乙烯纤维和目前风电领域批量使用的玻璃纤维性能对比。

表2 超高相对分子质量纤维与玻璃纤维性能对比Table 2 The performance comparison of UHMWPE and glass fiber

从表2 中数据看出，较玻璃纤维比，超高相对分子质量聚乙烯纤维有比强度、比模量优势，下面就超高相对分子质量聚乙烯纤维树脂基材料性能做具体分析。

超高相对分子质量聚乙烯纤维是指相对分子质量在100~500 万聚乙烯经熔融纺丝而得到的纤维材料，也称为伸直链聚乙烯纤维、高强高模聚乙烯纤维，它是继芳纶问世后又一类具有高度取向拉直链结构的纤维。我国最早于20 世纪80 年代开始研发超高相对分子质量聚乙烯纤维的，至2020 年国内的超高相对分子质量聚乙烯纤维的生产企业已经超过30 家。

1 力学性能

1.1 拉伸性能

超高相对分子质量聚乙烯纤维有着优异的综合性能，有着超高的强度和模量，同时由于密度低，使得其比强度较其他特种纤维是最高的[3]。比拉伸模量虽然低于高模量的碳纤维，但比玻璃纤维高很多。超高相对分子质量聚乙烯纤维目前主要的制备方法有表面结晶生长法、固态挤出-热拉伸法、溶剂溶解法，不同的方法制备的超高相对分子质量聚乙烯纤维的力学性能不同。表面结晶生长法制得的纤维拉伸强度和模量分别达到5 000 MPa、170 GPa[4]。而采用固态挤出方法挤出，在115 ℃下拉伸，模量可以达到222 GPa[5]。而一般在工业化生产中，多采用相对分子质量在300 万左右的聚乙烯树脂，由于相对分子质量很高，熔融黏度极高，即使温度提高到聚乙烯熔点以上几十度黏度仍然无法满足生产需求，因此研究人员采用了合适的溶剂溶解的方法，实现了超高相对分子质量聚乙烯纤维的工业化生产。采用1.5%超高相对分子质量聚乙烯的石蜡油溶液制备的纤维拉伸强度可以达到5 900 MPa、模量可以达到210 GPa[4]。

1.2 疲劳性能

研究人员利用弯曲疲劳测试装置，开展了超高相对分子质量聚乙烯纤维在固定张力下，在20~110 ℃间的加速弯曲疲劳性能研究[5-6]。得出结论超高相对分子质量聚乙烯纤维的抗疲劳性随着温度的升高而明显下降，看来温度会影响超高相对分子质量的力学性能。

1.3 纤维与树脂的结合能力

超高相对分子质量聚乙烯纤维具有较光滑的纤维表面，其表面能低，不易与树脂基体粘合，因而需要通过对其进行表面处理，提高纤维和树脂基体的表面结合性能，有利于应力通过界面从基体向纤维传递。为了提高超高相对分子质量聚乙烯纤维与热固性基体如环氧树脂等的粘合性能，研究人员通过研究不同的上浆方式对纱线浸胶纱模量的影响，得出结论，纤维在线涂覆明显好于合股后，因此后续织物上浆剂的涂覆方法主要改为在线涂覆，见图1。

图1 超高相对分子质量聚乙烯纤维浸胶纱拉伸模量Fig. 1 The tensile modulus of UHMWPE fiber impregnated yarn

关于上浆剂的用量，研究人员研究了两种上浆剂不同用量对于浸胶纱的性能的影响，见图2。

图2 上浆剂的用量对浸胶纱性能的影响Fig. 2 The influence of amount of sizing agent on the properties of impregnated yarn

研究结果发现，随着上浆剂用量的增加而力学性能衰减明显，0.5%的含量比较合适。

1.4 抗蠕变能力

超高相对分子质量聚乙烯纤维具有高强度、高模量的特点，但由于其为非极性分子，分子链间容易产生滑移而发生蠕变。在一定的温度、应力作用下，超高相对分子质量聚乙烯纤维的应变随着时间的延长逐渐加大[7-8]。超高相对分子质量聚乙烯纤维属于热塑性纤维，在温度-蠕变测试过程中发现，在60 ℃条件下，应力400 MPa 下经过约4.5 h 的蠕变试验，从起初的应变0.5%增加到1.1%，应变增长了约50%。

图3 超高相对分子质量聚乙烯纤维浸胶纱应变Fig. 3 The strain of UHMWPE fiber impregnated yarn

在60 ℃测试条件下，对匹配树脂基的单向层合板施加200 MPa 应力下，玻璃纤维在2 h 左右断裂，表现为明显的刚性材料，而超高相对分子质量聚乙烯纤维存在明显的蠕变。

图4 超高相对分子质量聚乙烯纤维和玻璃纤维（GF）层合板蠕变性能Fig. 4 The creep properties of UHMWPE fiber and glass fiber laminates

而通过微观分析发现，超高相对分子质量聚乙烯纤维表面存在大量的裂纹，尤其是在高负荷作用力下，这也是蠕变的主要原因之一。

图5 超高相对分子质量聚乙烯纤维原丝微观状态Fig. 5 The microcosmic state of UHMWPE fiber

2 结 语

较玻璃纤维增强树脂基复合材料相比，超高相对分子质量聚乙烯纤维在比强度、比模量上有着明显优势，但为了使超高相对分子质量聚乙烯纤维能够扩大应用，在纤维力学性能改进方面还需加大研究，开发抗蠕变型、高表面粘合型等与各种树脂基体有良好亲和性的纤维。同时改进纤维生产工艺、降低材料成本、提高生产效率以扩大超高相对分子质量纤维的应用领域。