超高分子量聚乙烯纖維的制備工藝及發展概況

宋 超,黃友光,孫艷朋

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

1 前言

作為世界三大高性能纖維之一，UHMWPE纖維具有許多優異的性能，其密度為0.97 g/cm3，制備的產品重量輕，另外UHMWPE纖維具有高強度、耐磨性的特點，還可以耐受強酸強堿等化學品的腐蝕，電磁波透射率也較高，摩擦系數低于許多材料，具有不吸水，生物相容性好等特性[1]。UHMWPE纖維被廣泛應用在防彈衣、防彈布、醫用材料、雷達天線罩、船用錨繩等諸多領域[2]。

雖然UHMWPE纖維具有許多優異的性能，但同時這種材料也存在一些缺陷，如耐熱性差、抗蠕變性能差、復合粘結性差、溶體粘度高導致加工成型難度大的缺點[3]。UHMWPE纖維的熔點在145～160℃之間，較低的熔點限制了其應用范圍；材料分子抗蠕變性能差，楊氏模量低，材料分子受力會發生分子間的滑移，導致纖維抗蠕變性能差；材料的復合粘結性差，由于分子不含有其他的極性基團，結構簡單，在與其他材料復合時，兩種材料之間很難產生較強的作用力，在對UHMWPE材料進行改性和復合時難度較大[4]。

2 優良性能

2.1 抗沖擊性

與其他材料相比，UHMWPE具有更為顯著的抗沖擊強度，所以在一些對抗沖擊性要求較高的領域，此材料是最好的解決方案之一。UHMWPE纖維材料的抗沖擊強度與鋼鐵材料相當，大約是PC材料抗沖擊強度的1.5倍，與PPS、PET、PP材料相比，UHMWPE的抗沖擊強度要遠遠高于這些常用的樹脂和工程塑料材料[5]。

2.2 高強度

圖1 UHMWPE纖維材料與其他常見

高強度的特性也是UHMWPE材料能夠廣泛應用于軍工、防彈衣等領域的關鍵，圖1是UHMWPE材料與其他常見纖維材料的強度對比圖, 從圖中可以看出，UHMWPE的強度明顯高于其他幾種材料，是芳綸強度值的1.5倍，是碳纖維 (高強)強度值的1.6倍，與E玻璃纖維和高模碳纖維相比，UHMWPE材料的強度值要高出兩倍左右，且其強度要遠遠高于鋼纖維[6]。

2.2 優良的耐磨性能

UHMWPE材料具有較低的摩擦系數，靜態和動態摩擦系數遠遠低于其他熱塑性材料，如UHMWPE的商品系列材料UTEC的動態摩擦系數是PC材料的1/5，是PPS和PBT材料的1/3，與碳纖維和芳綸等熱塑性材料相比，其具有顯著的耐磨性和彎曲抗疲勞性[7]。

圖2 UTEC材料和各種材料的相對磨損值，測試方法為Braskem internal sand-slurry method，STEEL SAE 1020 相對抗磨損值設定為100[8]

圖2比較了UTEC和其他材料的相對抗磨損值，從對比圖中可以看出，UTEC的抗磨損值約是商品材料TEFLON (聚四氟乙烯)的1/3，是Steel SAE 1020鋼材的1/4，UTEC的抗磨損值遠遠低于PVC、 HDPE、Polyacetal (聚醛樹脂)、Polycarbonate (PC)等材料。

2.3 優異的耐化學腐蝕性

UHMWPE分子由于具有高度的結晶性和取向度，且內部結構致密，沒有側鏈極性基團，具有優異的化學穩定性，能夠耐受大多數的化學物質腐蝕，表1 為UHMWPE纖維和芳綸纖維在不同介質浸泡半年后的強度保持率，從表1中可以看出，UHMWPE纖維相對于芳綸纖維，在各種不同介質中浸泡半年，其強度變化很小[9]。

表 1 UHMWPE纖維和芳綸纖維在化學試劑中

3 生產工藝

自19世紀70年代，UHMWPE材料的制備工藝不斷發展和改進，先后經歷了高壓固態擠出法、增塑熔融紡絲法、凍膠紡絲-超倍拉伸等方法。目前工業化較為成熟的工藝為凍膠紡絲-超倍拉伸法[10]。

凍膠紡絲-超倍拉伸法是用UHMWPE為原料，使用小分子的烷烴作為溶劑，如白油、煤油、十氫萘等作為溶劑，與UHMWPE原料混合，并加入一定量的抗氧化劑，最后配制成稀溶液，UHMWPE樹脂在溶劑中發生溶脹、溶解，使得分子鏈在溶液中纏結，混合物轉移到雙螺桿擠出機進行混合擠出，通過噴絲板擠到凝固浴中形成初生纖維，初生纖維的模量和強度都比較低，將初生纖維進行萃取和干燥處理，然后進行超倍熱拉伸，纖維的結晶度和取向度增加，UHMWPE纖維分子由折疊鏈變成伸直鏈結晶，最后制備成UHMWPE纖維[11]。凍膠紡絲-超倍拉伸法是目前唯一實現大規模工業生產UHMWPE纖維的工藝方法。

圖3 干法凍膠紡絲工藝流程圖

凍膠紡絲-超倍拉伸法根據使用溶劑的揮發性不同分為兩條不同的工藝路線，使用高揮發性溶劑，如十氫萘，這種工藝路線被稱作干法路線，圖 3是干法凍膠紡絲工藝流程圖；使用低揮發性溶劑，如煤油、白油等，這種工藝路線被稱作濕法工藝路線。干法路線相對于濕法路線有諸多優點，如干法工藝流程短、工藝更環保、生產的纖維強度更高等，且干法工藝流程中UHMWPE纖維所含溶劑少，更易處理。

4 行業發展概況

根據Grand View Research公司的一項研究預測，到2022年，全球UHMWPE市場預計將達到26.0億美元。2017年中國對于UHMWPE纖維的需求量大約在1.5～1.8萬噸，目前UHMWPE纖維國內產能已超過9000噸，出口量已經超過總產量的50%，遠遠不能滿足市場需求，所以發展UHMWPE纖維具有廣闊的市場空間。在UHMWPE纖維的應用領域，軍工產業約占總國內總需求結構的40.7%，在民用領域，海洋產業纜繩需求比例較大，主要用于制作錨繩、船用纜繩等產品，約占總國內總需求結構的29.07%，其中光纜繩一項產品對于UHMWPE纖維的需求量就在3000噸以上，另外隨著材料相關性能的提升，UHMWPE纖維已能夠成熟應用于雷達罩材料，預計雷達罩產品對于此種纖維的市場需求量在3000噸左右。

我國UHMWPE纖維已經具備規模化生產技術，生產的產品質量已經可以接近國際先進水平，目前世界上大約有13家UHMWPE纖維生產龍頭企業，中國企業就占到一半以上；目前國內從事UHMWPE纖維生產的企業主要有北京同益中，湖南中泰，山東愛地，寧波大成，中石化儀征化纖，劍喬科技等企業，其中北京同益中和山東愛地UHMWPE纖維項目的計劃產能為5000t/a，其中山東愛地是荷蘭DSM集團在中國的合資企業，擁有5000t/a的UHMWPE纖維生產裝置，產能預計達到亞洲第一，世界第二。中石化儀征化纖公司是我國最早建設UHMWPE纖維干法紡絲產線的公司，目前擁有2套超高分子量聚乙烯纖維干法紡絲裝置，產能1300t/a，相關干法紡絲技術填補了國內空白，打破了干法紡絲技術國際壟斷。

5 結語

UHMWPE纖維具有優異的性能，在諸多領域有著廣泛應用，但其生產成本高，在民用領域應用不夠普遍，隨著工藝的不斷改進，生產成本將逐步降低，其在民用領域的應用將更加普遍；另外材料本身的一些缺陷限制了其廣泛的應用，所以對UHMWPE材料進行改性以降低降低蠕變等缺陷，以及增強與材料的復合性能將會是未來主要的研究方向。