超高分子量聚乙烯纤维特点及应用

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作者:xingi

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,其分子量在100万~500万的聚乙烯所纺出的纤维。


当今世界三大高性能纤维是:芳纶、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维,当前中国由于技术问题芳纶仅有小量生产;碳纤维尚处在试验和初级生产阶段,产品只能应用在耐磨填料等领域;超高分子量聚乙烯纤维在1994年同益中突破关键性生产技术以来,现已经在国内形成多个超高分子量聚乙烯纤维产业化生产基地。

性能特点

1、高比强度,高比模量。比强度是同等截面钢丝的十多倍,比模量仅次于特级碳纤维。

2、纤维密度低,密度是0.97-0.98g/cm3,可浮于水面。

3 、断裂伸长低、断裂功大,具有很强的吸收能量的能力,因而具有突出的抗冲击性和抗切割性。

4、抗紫外线辐射,防中子和γ射线,比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高。

5、耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。

物理性能:

密度:0.97~0.98g/cm3。比水的密度低,可以漂浮在水上。

强度:2.8~4N/tex。

模量:91~140N/tex。

延伸度:3.5%~3.7%。

冲击吸收能比对位芳酰胺纤维高近一倍,耐磨性好,摩擦系数小,但应力下熔点只有145~160℃。

国内外研发现状

当前,超高分子量聚乙烯纤维国外有荷兰帝斯曼公司(DSM)、美国霍尼韦尔公司(Honeywell)、日本东洋纺公司(Toyobo)共 3家公司能工业化生产,且年总产量不到9000吨。

当期欧美和日本的超高分子量聚乙烯纤维用途结构有一定差异。欧美主要用于防弹衣和武器装备,占总量 60%~70%,其次为绳缆占20%,渔网等占5%、劳动防护占5%;日本主要用于绳缆、渔网、防护类,特别是防切割手套,在汽车生产涂漆工序的使用已达到超高分子量聚乙烯纤维总需求量的1/4。

我国自1985年开始超高分子量聚乙烯纤维的研究,东华大学、盐城超强高分子材料工程技术研究所先后加入研发行列, 并取得了一系列重大理论突破。随即一些企业投入中试及小规模工业化生产,至今经过不懈努力,其纤维性能已经达到国际中等水平并具有各自的特色,部分进入规模化生产阶段。目前国内有上海化工研究院、郑州安泰防护科技有限公司、北京同益中特种纤维技术开发有限公司、湖南中泰特种装备有限公司、宁波大成新材料股份有限公司、山东爱地高分子材料有限公司 5家生产超高分子量聚乙烯纤维,都取得了较大的成绩。此外,还有无锡富坤化工有限公司、九江中科鑫星新材料有限公司、上海联乐化工科技有限公司及安徽特佳劲精细化工有限责任公司等。

应用领域

国防方面

由于该纤维的耐冲击性能好,比能量吸收大,在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料,如直升飞机、坦克和舰船的装甲防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌等,其中以防弹衣的应用最为引人注目。它具有轻柔的优点,防弹效果优于芳纶,现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。另外 超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值 U/p是钢的10倍,是玻璃纤维和 芳纶的2倍多。国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。

航空方面

在航天工程中,由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好,适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索,取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳索,其发展速度异常迅速。

民用方面

(1)绳索、缆绳方面的应用:用该纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具适用于海洋工程,是该纤维的最初用途。普遍用于绳索、重载绳索、救捞绳、拖拽绳、帆船索和钓鱼线等。该纤维制成的绳索,在自重下的断裂长度是钢绳的8倍,是芳纶的2倍。该绳索用于超级油轮、海洋操作平台、灯塔等的固定锚绳,解决了以往使用钢缆遇到的锈蚀和尼龙、聚酯缆绳遇到的腐蚀、水解、紫外降解等引起缆绳强度降低和断裂,需经常进行更换的问题。

(2)体育器材用品:在体育用品上已经制成安全帽、滑雪板、帆轮板、钓竿、球拍及自行车、滑翔板、超轻量飞机零部件等,其性能较传统材料为好。

(3)用作生物材料:该纤维增强复合材料用于牙托材料、医用移植物和整形缝合等方面,它的生物相容性和耐久性都较好,并具有高的稳定性,不会引起过敏,已作临床应用。还用于医用手套和其他医疗措施等方面。

(4)工业上,该纤维及其复合材料可用作耐压容器、传送带、过滤材料、汽车缓冲板等;建筑方面可以用作墙体、隔板结构等,用它作增强水泥复合材料可以改善水泥的韧度,提高其抗冲击性能。