超高分子量聚乙烯纖維的發展及需求應用

李建利,王海濤,趙領航,張　元

(陜西省紡織科學研究所，陜西西安 710038)

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超高分子量聚乙烯纖維的發展及需求應用

李建利,王海濤,趙領航,張元

(陜西省紡織科學研究所，陜西西安 710038)

摘要：介紹了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維的國內外產業發展史、需求及應用狀況，指出UHMWPE纖維產業受國家多個行業政策鼓勵及扶持，前景廣闊。

關鍵詞：UHMWPE纖維發展史需求應用

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維，它與芳綸(對位芳綸p-PA、間位芳綸m-PA)、碳纖維(CF)并稱為當今“世界三大高科技纖維”。產品廣泛應用于防彈、防刺等輕質高強類國防軍需裝備及航空航天、海洋產業、運動器材、建筑加固等領域。

1UHMWPE纖維發展史

在20世紀70年代，英國利茲大學的Capaccio和Ward第一次成功研制出超高模量聚乙烯纖維(UHMWPE)。1975年，荷蘭帝斯曼(DSM)公司改進技術，該公司的Smith和Lemstra發明了凝膠紡絲法，以十氫萘為溶劑成功制備出UHMWPE纖維，1979年申請了專利[1-4]。1985年，正式商業化生產。1990年，荷蘭DSM公司在Heerlen工廠成功實現了UHMWPE纖維的工業化生產，產量5 kt/a，商品名“dyneema”。

1982年，美國聯信(Allied-Signal，1999年與美國霍尼韋爾公司合并，合并后稱Honeywell)公司購買了荷蘭DSM公司的專利權，經過技術改進，將DSM公司的溶劑十氫萘改為礦物油，在1983年取得了自行研發技術的美國專利，并在1984 年開始產業化進程[5-9]。1988年實現了商品名“Spectra”的超高模量聚乙烯纖維的商業化生產，產量為3 kt。而且，美國Honeywell公司開發的UHMWPE纖維，其強度和模量均超過了DuPont公司的對位芳綸Kevlar。與荷蘭DSM公司的同類產品相比，美國Honeywell公司研發的纖維模量超過DSM公司纖維，但斷裂強度較差，也因此Honeywell研發的UHMWPE纖維在防彈領域的應用更具優勢，首次成功研制出防彈衣和防彈頭盔用UHMWPE纖維無緯布，并在2001 年后不斷擴大產能。

在亞洲，就在美國Honeywell公司開始UHMWPE纖維產業化進程的同時，1984年荷蘭DSM公司與日本東洋紡(Toyobo)滋賀工廠合資建成600 t/a的中試裝備，于1989年在日本批量生產商品名為“DyneemaSK-60”的UHMWPE纖維。1983年，日本三井石化(Mitsui)公司以石蠟作溶劑通過凝膠擠壓—超拉伸技術成功研制商品名“Tekmilon”的UHMWPE纖維，1984年通過歐洲專利評審，1988年正式商業化生產。后來，荷蘭DSM公司除了與東洋紡在日本合資生產外，也在荷蘭本土和美國獨資建廠。

我國對UHMWPE纖維的研究與開發始于20 世紀80 年代初，中國紡織科學研究院、東華大學、天津工業大學、鹽城超強高分子材料工程技術研究所先后進行了一系列技術突破，開發了高濃度原液紡絲技術，使我國成為世界上繼美國、荷蘭之后第三個擁有自主知識產權生產UHMWPE纖維的國家[10-13]。1996年，寧波大成聯合科研院所開始對UHMWPE纖維的研發，1999年發明混合溶劑凝膠紡絲工藝，并申請專利，2000年在國內率先實現產業化。目前，我國山東、廣東、浙江、湖南、北京等地都取得了階段性成果，近年來發展非常迅猛。

2國內外需求

世界上工業化生產UHMWPE纖維的企業主要是荷蘭DSM、美國HONEYWELL和日本TOYOBO三大公司。隨著我國自主知識產權的取得，如今我國的UHMWPE纖維生產技術也快速提升。2011年，世界UHMWPE纖維的總產能29.2 kt/a，目前世界UHMWPE纖維總生產能力34.8 kt/a左右。盡管近年來UHMWPE纖維的產量增長迅猛，但由于近年來發達國家對高科技纖維復合材料行業發展的重視及其相關技術的快速提升，極大地推動了UHMWPE纖維的應用技術，全世界對UHMWPE纖維的需求呈現供不應求的狀態。

2.1國外

國外，據悉荷蘭、美國、日本3家UHMWPE纖維主要生產商年增長率達15%，產品需求旺盛。目前，世界對UHMWPE纖維的總需求量約50 kt/a，其中美國約占70%，但目前全世界年產量僅20 kt/a，處于供不應求。未來5年和10年內世界UHMWPE纖維的年需求量分別在6萬t和10萬t，市場潛力巨大。歐美在防彈衣和武器裝備的占用量60%～70%，繩纜占20%，漁網等占5%，勞動防護占5%。日本主要用在繩纜、漁網、防護類制品，在汽車生產涂漆工序中的用量約25%。全世界對UHMWPE纖維的需求量逐年增加，2001年約1.8 kt，2003年約4.7 kt，2004年約6 kt，2005年約8 kt，2010年增長到50 kt，預計2015年總需求量將達100 kt。據預測，今后5年世界對UHMWPE纖維需求年增長率保持在30%，未來10年對UHMWPE纖維的年需求量將達300 kt左右，需求旺盛，行業長期處于供不應求狀況。

2.2國內

國內，近年來UHMWPE纖維需求量持續增長，2006年約8 kt，2010年約15 kt，2013年約18 kt，2015年預計將達20 kt，未來10年UHMWPE纖維的年需求量將達60 kt左右，市場缺口巨大。國內應用較多的是繩索類產品，年需求量在6 kt以上；其次是防彈、防刺類產品，需求量巨大[14-15]。國內各領域需求情況大致為：海洋產業占30%，軍工占20%，安全防護產品占20%，外貿出口占20%，運動器械、建筑業、運輸業等占10%。此外，我國國防和武警裝備對防護用品的需求正處快速增長期，將對UHMWPE纖維需求量很大。隨著我國UHMWPE纖維工業生產技術的成熟，成本和價格的下降，將促進UHMWPE纖維在國內國防和海洋產業、風電葉片、勞動防護類等民用領域的應用。

3應用領域

作為世界三大高性能纖維之一的UHMWPE纖維，比強度是優質鋼材的15倍，是碳纖維的2.6倍，是芳綸的1.7倍，是玻璃纖維和尼龍66的4倍。具有良好的耐化學性、耐海水腐蝕性、耐摩擦性、耐切割性、生物相容性等，廣泛應用作防彈、防割、繩索、加固等材料[16-22]，主要用途有以下幾個方面。

3.1海洋產業

UHMWPE纖維具有高強高模、耐腐蝕、耐磨損、耐光照、柔韌性好的特征，是制造繩纜的優秀材料。由于質量輕，密度只有0.97 g/cm3，是高性能纖維中密度唯一小于1可漂浮于水上的纖維，用其制造的繩索可漂浮于水上；UHMWPE纖維繩索強度更高，在自重下的斷裂長度是鋼繩的8倍，是芳綸繩的2倍；UHMWPE纖維耐光性好，在日光照射1500 h后強度仍能保持在80%以上，但芳綸經日光照射后強度會急劇下降；UHMWPE纖維化學穩定性好，在海水中能有效解決鋼繩的銹蝕問題和尼龍、聚酯纜繩在海水中的水解和紫外降解問題，因此，UHMWPE纖維繩索尤其適用于船只和海洋工程[23-24]。

另外，UHMWPE纖維制成的釣魚線，其高模高強的優勢能傳遞深海幾百米深的魚上鉤的信息，特別是甩鉤使用的釣魚線比同類產品更細，空氣阻力小，拋投距離長，深得用戶好評。UHMWPE纖維制成的漁網比相同強度下普通的纖維要輕至少40%，無吸水性、耐紫外線、強度高，網絲細，加工成養殖網箱固定性好，機械性能好，有效的防止了食肉魚對經濟魚的獵殺，降低了養殖成本。用作拖網阻力小，減少漁船能耗，提高了捕撈效率。

利用UHMWPE纖維高強質輕、柔韌、耐海水腐蝕和紫外降解的特性，被廣泛在海洋產業中多用作深海抗風浪網箱、自力繩索、重載繩索、救撈繩、拖拽繩、帆船索、船帆、漁具、超級油輪、海洋操作平臺、燈塔等固定錨繩等方面。目前，國內外海事管理部門已經相繼出臺相關政策，要求出海船只對重達100 kg的UHMWPE纖維繩纜至少配備一條，替代傳統鋼繩。據預測，UHMWPE纖維在海洋產業領域的年需求量在5000 t/a。

3.2安全防護

UHMWPE纖維復合材料的抗沖擊韌性好，有較強的比沖擊吸收能量，分別是玻璃纖維、芳綸、碳纖維復合材料的1.8倍、2.6倍、3倍，在防彈衣、頭盔、復合裝甲，防切割手套、護具、防沖擊板材，高危環境下的警用防刺服、礦工防砸頭盔類防沖擊護具等防沖擊吸能領域具有非常好的應用[25-28]。

安全防護用品是目前UHMWPE纖維的主要應用領域，單是用于生產防彈衣、防刺服、防彈板、防彈裝甲的核心材料的防滲透布(LID)的生產就占UHMWPE纖維總量的45%以上。除單向布外，還有非織造布、各種機織、針織材料也可用于防彈、防刺服的生產。據預測，在國防軍工和安全防護產品領域的年需求量在6000 t/a以上。

UHMWPE纖維防護用品與芳綸、碳纖維及陶瓷、鋼鐵、合金類防護用品相比，在保證防護性能的前提下，UHMWPE纖維制成的防護材料超輕且能很好的解決非貫穿性傷害。法國維和部隊配備的UHMWPE纖維制成的防彈衣和防彈插板全套重量不超過5 kg，完全能抵御北約5. 56 mm、俄制7. 62 mm突擊步槍普通彈的攻擊。此外，UHMWPE纖維的使用溫度低至-150 ℃，已超出地球的低溫極限，而芳綸在-30 ℃就會失去防彈性能，因此UHMWPE纖維產品還是高寒地區防護用品的首選。用UHMWPE纖維制作的防彈頭盔重量比傳統材料減輕300-400 g，僅是芳綸纖維頭盔重量的2/3，還比芳綸具有更好的防彈效果，深受歡迎。目前，世界上45%的UHMWPE纖維用于生產單向UD材料，由此達到質輕、抵御子彈沖擊力，減少對人體傷害。在輕質裝甲方面，UHMWPE纖維已用來制造軟質防彈衣、硬質防彈頭盔、運鈔車車體、防彈橡膠增強材料、坦克裝甲、裝甲車裝甲、直升機防護裝甲、雷達防護外殼、導彈罩、防切割手套、防割套袖等。據報道，裝甲一輛坦克或裝甲車就需要UHMWPE纖維單向UD材料400 kg或更多，如果裝備一個師就要240 t。據預測，如果全國銀行系統保衛人員全部裝備該產品，UHMWPE纖維需求量將超過1000 t。據報道，UHMWPE纖維制成的防割手套耐摩擦性能是棉紗手套的70倍以上，實際使用壽命是其6-10倍，而且舒適性高，彈性好，便于清洗。近年來，國內每年關于UHMWPE纖維在防切割手套行業的用量增長迅速，從2011年的1200 t增長到2014年的1860 t，UHMWPE纖維防切割手套的出口量也超過韓國，成為世界最大的UHMWPE纖維防切割手套出口國，出口占國內加工量的95%以上。據預測，2015年國內外UHMWPE纖維防切割手套纖維用量在3750 t，到2018年將達到5000t，在未來5年防切割手套的年增長率將保持在10%以上。

3.3體育用品

UHMWPE纖維復合材料比強度比模量高，韌性和損傷容限比傳統材料好，其制作的運動器械質輕且結實耐用，用UHMWPE纖維制作的網球拍、高爾夫球網、棒球網、滑雪板、沖浪板、擊劍服、賽艇、帆船、釣竿等體育用品，深得使用者的喜愛。據測算，該領域的年需求量在300 t/a。

3.4建筑加固

UHMWPE纖維與普通加固增強材料相比，具有較好的增稠效果，有效抑制了輕骨料的上浮，提高了輕骨料混凝土的均勻化。高強高模的UHMWPE纖維可協同輕骨料受拉、抑制裂紋的擴展，有效提高了輕骨料混凝土的各項力學指標。摻混UHMWPE纖維的混凝土材料脆性低、韌性高，彎曲韌度系數是普通混凝土的14倍。常用作墻體、隔板結構、增強水泥復合材料、石棉水泥制品、建筑工程加固復合材料等[29-30]，該領域的年需求量在300 t/a左右。

3.5航空航天

UHMWPE纖維質輕高強的特征，被應用于各種飛機的翼尖結構、飛船結構、飛機駕駛艙內壁、飛機座艙防彈門浮標飛機和航天飛機的著陸用減速降落傘等，在該領域的年需求量在200 t/a左右。

3.6其它復合材料的應用

UHMWPE纖維的生物相容性、耐久性、化學穩定性好，不會引起人體的過敏反應和生物排斥反應，是制作牙科用絲線、醫用移植線、牙托材料、人造關節、人造韌帶、人造肢體等的優良材料[31]，在醫療衛生領域的年需求量在100 t/a。

UHMWPE纖維介電常數、介電損耗值小，電信號失真小，透射系數高，用于雷達罩基材均高于現用玻璃纖維的各方面性能參數，是制作高性能輕質雷達罩的首選材料[32]。

UHMWPE纖維高強高模的性質及能耗的特點制成的高性能薄壁高壓容器[33]，耐化學腐蝕，強度好，能用于存儲較為廣泛的氣體或液體介質。它的形狀轉化效率高達97%，耐壓容器性能系數比芳綸制品高45%。

雖然UHMWPE纖維比強度、比模量雖在所用纖維中無可比擬，但存在不易染色，耐熱性差，與樹脂粘結性差的缺陷，用途受限。常常需要對其采用液態氧化法、等離子體處理法、輻射接枝處理法、電暈放電處理法、光氧化表面處理法、光致交聯處理法等方法進行表面改性[34]。

4展望

2007年，國家發改委《關于組織申報高性能纖維復合材料高技術產業化專項的通知》(發改辦高技[2007]3177號)，2010年10月《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定〔國發2010(32)號〕》，2011年3月《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》及2012年《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》等文件，曾多次提出重點支持高性能碳纖維、芳綸、高強聚乙烯等纖維的研發及生產裝備建設，以滿足國民經濟及尖端技術領域的需求。

由此可見，超高分子量聚乙烯纖維是符合國家及行業產業政策，是國家鼓勵發展的特種纖維之一，發展前景廣闊。

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Development, Demand and Application of UHMWPE Fiber

LIJian-li,WANGHai-tao,ZHAOLing-hang,ZHANGYuan

(Shaanxi Textile Science Institute, Xi’an 710038)

Abstract:The UHMWPE fiber industry development history at home and abroad, demand and application situation were introduced and the fact was pointed out that the UHMWPE fiber industry was encouraged and supported by several industries’ policies of the nation and had a broad prospect.

Key words:UHMWPE fiberdevelopment historydemandapplication

中圖分類號：TQ325.12

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)01-0141-04

收稿日期：2015-11-10

第一作者：李建利(1982-)，女，碩士，工程師，研究方向：高性能纖維產業用紡織品的開發。