我国高强聚乙烯纤维的技术突破及应用进展
宁波大成新材料股份有限公司  陈成泗  胡开波  陈建锋  徐柏权
中国科学院化学研究所  王德禧

　　高强聚乙烯（UHMWPE）纤维是世界公认的三大高科技纤维之一，宁波大成新材料股份有限公司从1996年开始
进行研发，2000年实现了UHMWPE纤维的产业化，打破了发达国家技术垄断的局面，2006年该公司UHMWPE纤维及
复合材料产量已达1600t，仅次于荷兰DSM公司，位居世界第二。


技术新突破
    UHMWPE纤维是具有高度取向的伸直链结构，与碳纤维、芳纶纤维相比较，UHMWPE纤维的强度更高，密度更低；
同时具有很好的耐候性，经1500h日晒后，纤维强度保持率仍然高达80%；耐紫外性能非常优越，耐低温性好，使
用温度可以低至-150℃；此外，UHMWPE纤维的耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能、抗切割性能也是现有高性能纤维
中的佼佼者。
    聚乙烯的化学结构是具有亚甲基（-CH2-CH2-）相连的大分子链，UHMWPE具有大量无规线团的非晶区和折叠链
的晶体结构。在强力牵伸时，其大分子链的高度取向使晶区及非晶区的大分子充分伸展，形成伸直链的超分子结构。
    UHMWPE纤维所用的原料是分子量高达300万以上的超高分子量聚乙烯，熔体粘度大，几乎没有流动性，纺丝
过程中容易发生熔体破裂，无法实现工业化生产。宁波大成新材料股份有限公司发明的混合溶剂冻胶纺丝技术可以
生产出UHMWPE纤维，其主要创新点如下：
    （1）控制溶胀速率、溶液浓度  通常超高分子量聚乙烯由于超大分子的无规缠结，溶胀速率较慢，很难配成
浓度较高的纺丝液。大量的溶剂存在于初生态纤维中，而且这些溶剂都要在后工序中除去，因而超高分子量聚乙烯
的分子量分布控制、溶剂选择、溶胀及溶解速率控制对配制高浓度的纺丝液非常重要。宁波大成制备出高浓度的纺
丝原液（浓度达到8%），突破了冻胶纺丝要采用准稀溶液（浓度小于5%）的传统工艺。
    （2）双螺杆挤压均化技术  UHMWPE摩擦系数很小，加之含有大量溶剂，传统的纺丝设备无法进行纺丝，在冻
胶纺丝工艺中采用的是双螺杆挤压技术。通过专门设计的高精度、大长径比、特殊结构形式对UHMWPE的挤压溶胀、
溶解和脱泡，缩短了UHMWPE在高温下的停留时间，节约了能耗，减轻了降解程度，有利于实现溶胀均化，丝条产
量可达200kg/h。
    （3）冻胶化处理   纺丝液通过精确的计量，进入冻胶纺丝工序，形成了初生态的纤维，此时纤维中溶剂的含
量在90%以上。凝固浴的作用一是把纺丝过程中纤维形成的取向结构固定下来，要考虑到初生态纤维的皮层结构有
利于纤维中溶剂的萃取，所以凝固浴的组分及工艺控制是非常重要的工艺条件。
    （4）多辊多组牵伸技术  进入凝固浴后纤维中的溶剂与萃取液进行交换，纤维从凝固浴出来后，还要放置一
段时间，使纤维中的溶剂渗出，并消除纺丝过程中产生的内应力，而后进入纤维的多辊多组牵伸阶段，进入初级牵
伸的纤维中溶剂的含量大约在50%左右，随着牵伸倍率及温度的控制，最终使纤维中的溶剂含量下降至1%以下。多
轴多组牵伸主要是为了保证纤维最终能形成伸直链为主体的超分子结构，才能使纤维成为高强高模的高科技纤维。
初级牵伸阶段，溶剂既要从纤维中排出，同时在纤维中大分子的相对滑动产生一定的润滑作用；溶剂排出速度对纤
维中缠结点的存在和分布有重要的影响，而必要的缠结点密度及其分布对传递纤维轴向应力非常重要，也对最终伸
直链结构的形成起到重要的作用。


性能优异
　　宁波大成UHMWPE纤维与国外同类产品性能比较见表1。UHMWPE纤维性能与其他高性能纤维性能比较见表2。


表1  宁波大成UHMWPE纤维与国外同类产品性能的比较
生产厂家        品 牌         密度/g·cm-3  强 度/g·D-1  模 量/g·D-1  伸长率/%
大成公司        DC-85                0.97         34.0            1050      3.8
                DC-88                0.97         38.0            1250      3.5
DSM公司         Dyneema SK60        0.97         32.0            1025      3.5
                Dyneema SK66        0.97         36.0            1100      3.6
                Dyneema SK75        0.97         40.0            1250      3.2
                Dyneema SK76        0.97         42.0            1350      3.0
美国Honeywell    Spectra 1000        0.97         36.0            1150      2.9
                Spectra 2000        0.97         38.0            1350      2.9
日本三井石化    TEKMILON 系列        0.97         32.9             941      4.0

表2  UHMWPE纤维性能与其他高性能纤维性能比较
性  能       密度/g·cm-3  强 度/g·D-1  模 量/g·D-1  伸长率/%  比强度  比模量
UHMWPE纤维         0.97            36.0          1250           3.5      4.14       146
芳纶纤维         1.44            26.0           800           2.5      1.33        60
碳纤维             1.81            22.0          1500           1.2      0.97        73
S玻璃纤维         2.50            20.0           360           5.2      0.74        14

    从表2看出UHMWPE纤维在高性能纤维中强度最高，它的比强度也是最高的，相当于优质钢丝的15倍，比普通
化学纤维高近10倍，比对位芳纶高40%。模量仅次于碳纤维，断裂伸长率高，耐热性差是它的主要缺点。由于密
度低，比强度、比模量在所用纤维中是无可比拟的。UHMWPE纤维在复合材料制造中最大的问题是与其他树脂不浸
润，粘结性能差。大成公司与中国科学院光电研究院合作，采用了大气等离子体干法纤维在线处理工艺，很好的解
决了聚乙烯树脂与其他树脂的粘结问题，复合材料的层间剪切强度提高了一倍以上。


应用研究
    防弹衣、防弹头盔、防弹板材
    UHMWPE纤维已成了防弹制品的首选材料，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良
的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造单兵弹道防护装备，提高了部队战斗力和整体军备水平。
防弹效果相同的UHMWPE纤维头盔的质量只有芳纶纤维头盔质量的2/3。
    以UHMWPE纤维单向无纬布制作的2cm厚的插板可以有效防御AK-47突击步枪子弹的攻击；1cm厚的碳化硅或
氧化铝陶瓷块材料加上约50层UHMWPE纤维单向无纬布纤维片制成的30x25cm2的插板重约2.6kg，95式突击步枪
（弹丸初速930m/s，属于威力较大的突击步枪之一）也难以将插板击穿。
    纤维缠绕压力容器
    ① 纤维缠绕呼吸气瓶
    呼吸气瓶使用铝合金内胆，把经过等离子体在线处理并涂胶的UHMWPE纤维和碳纤维，在瓶胆外缠绕而成。产
品具有体积小、密度低、便于携带、使用寿命长、抗腐蚀、耐疲劳、安全可靠、容重比大等优点，可用于装备海军、
高原驻军、防化兵，也适合于潜水、旅游、登山等体育活动。
    ② 天然气汽车的高压贮气罐
    压缩天然气（CNG）气瓶是压缩天然气汽车的主要设备之一。UHMWPE纤维与碳纤维、玻璃纤维混合缠绕生产的
气瓶具有使用寿命长、抗腐蚀、耐疲劳、安全可靠、容重比大、电绝缘防护性好等优点。
    建筑工程结构加固补强
    最近国外研究人员提出了“NSM法”（Near Surface Mounted），即在需加固的构件表面开槽（混凝土保护层内），
将纤维增强复合材料（FRP）筋或板条嵌入其中，利用粘结剂使其与构件结合紧密，达到加强其抗弯或抗剪能力的
目的。近几年来“NSM法”已是国外研究FRP加固混凝土结构技术的一个新热点。高强聚乙烯纤维与碳纤维和芳纶
相比，比重最小、强度最高、耐化学药品性好、耐低温性能好、耐紫外性能好具有更高的性价比，在桥梁、隧道、
房屋等结构抗震加固补强方面具有极为广阔的应用前景。