第二節(jié) 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維

超高分子量聚乙烯纖維（ultra high molecular weight polyethylene fiber，UHMWPE纖維）又稱高強高模聚乙烯纖維（high strength high modulus polyethylene fiber，HSHMPE纖維），也稱伸直鏈聚乙烯纖維（extended chain polyethylene fiber，ECPE纖維）或高性能聚乙烯纖維（HPPE纖維），是用相對分子質(zhì)量在1×10⁶～5×10⁶的聚乙烯所紡出的纖維，是繼碳纖維和芳綸之后的世界第三代高強、高模、高科技的高技術(shù)纖維。

一、UHMWPE纖維的發(fā)展簡史

20世紀30年代，Carothers和Hill就提出了制備實用纖維的基礎(chǔ)理論，如需具有長鏈分子，分子鏈極有規(guī)則地排列，分子鏈軸與纖維方向平行。Meijer和Lotmar論述了伸直鏈分子的高剛性，Treloar等在20世紀60年代詳細地計算了單一伸直鏈的拉伸模量，當時計算得到的單一伸直聚乙烯鏈的拉伸模量為182GPa，但實際生產(chǎn)中遠遠達不到理論值。為此，人們一直在探索提高聚乙烯鏈強度和模量的途徑。

凝膠紡絲法發(fā)明于20世紀50年代，但當時制得的聚乙烯纖維的物理性能遠不如今天的聚乙烯纖維。荷蘭DSM公司從20世紀70年代開始研發(fā)，證明了凝膠紡絲—超倍熱拉伸法的工業(yè)化可行性，并于1979年獲得專利，1985年正式商業(yè)化生產(chǎn)。DSM公司在凝膠紡絲法上的突破，當時立刻引起了工業(yè)強國的注意。之后，美國的Allied Signal公司（現(xiàn)為Honeywell公司）迅速購買了該項專利權(quán)，對有關(guān)技術(shù)進行改良后，于1983年取得了自行研發(fā)技術(shù)的美國專利，并于1989年正式商業(yè)化生產(chǎn)高強聚乙烯纖維，纖維商品名為“Spectra”。

20世紀80年代初期，國內(nèi)開始了UHMWPE纖維的研究開發(fā)工作，東華大學率先提出對UHMWPE纖維項目產(chǎn)業(yè)化的研究，并開始對該產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)進行了系列研究，取得了一批關(guān)于制造該纖維的專利，在一些關(guān)鍵技術(shù)上走在了世界的前列，并于1992年通過了小試鑒定，得到了纖維強度為25～26cN/dtex、模量為900cN/dtex的UHMWPE長絲，其生產(chǎn)工藝選用煤油作為溶劑，采用了以不同餾分的煤油作為萃取劑的凝膠紡絲—高倍拉伸技術(shù)，并取得中國專利。

1999年年底，湖南中泰特種裝備有限公司在東華大學研究的工藝成果基礎(chǔ)上進行了小試、中試和工業(yè)化生產(chǎn)開發(fā)，建成一套產(chǎn)能100噸/年的工業(yè)化生產(chǎn)裝置，2000年又擴產(chǎn)為200噸/年。中泰公司以國產(chǎn)原料實施連續(xù)式寬幅UD材料項目，其防彈性能優(yōu)異，填補了我國連續(xù)式寬幅UD材料制備技術(shù)與產(chǎn)品的空白，成為世界上繼DSM公司和Honeywell公司之后第三家擁有其生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)。

2008年12月20日，山東愛地高分子材料有限公司采用自主技術(shù)建設(shè)的UHMWPE纖維一期工程完工，標志著我國首次采用自主技術(shù)實現(xiàn)了UHMWPE纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。該公司從2005年8月開始，陸續(xù)建成了七條UHMWPE纖維生產(chǎn)線，總產(chǎn)能達到2000噸/年。經(jīng)國家纖維質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，愛地公司的UHMWPE纖維達到國際先進水平，現(xiàn)已銷售到北京、廣州等地區(qū)，并出口希臘、比利時、葡萄牙等多個國家。

二、UHMWPE纖維的制備

（一）UHMWPE的合成工藝

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種相對分子質(zhì)量在150萬以上的、線型結(jié)構(gòu)的均聚物，與高密度聚乙烯（HDPE）的結(jié)構(gòu)類似，具有優(yōu)異的綜合性能。最早由美國Allied Chemical公司于1957年實現(xiàn)工業(yè)化。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)UHMWPE的工藝主要有高壓聚合、氣相聚合、淤漿聚合與溶液聚合等幾種工藝，然而能用于UHMWPE聚合的主要是淤漿法聚合工藝。

淤漿法聚合工藝是指催化劑和形成的聚合物均不溶于單體和溶劑的聚合反應(yīng)。由于催化劑在稀釋劑中呈分散體，形成的聚合物也呈細分散體析出，整個聚合體系呈淤漿狀，故稱為淤漿法聚合。若將單體物料加入反應(yīng)器，再加入催化劑等物料，保持反應(yīng)條件不變，待反應(yīng)結(jié)束后一次出料的生產(chǎn)工藝稱為間歇淤漿聚合。單體及催化劑等物料不斷進料，聚合物連續(xù)出料的工藝稱為連續(xù)淤漿聚合。

淤漿法聚合工藝主要包括攪拌釜工藝與環(huán)管工藝。攪拌釜工藝包括Hostalen工藝和CX工藝，目前，大約2/3的HMWPE聚合采用Hostalen的連續(xù)攪拌釜工藝。典型的工藝流程見圖1-6，它使用雙釜反應(yīng)器，可通過串聯(lián)或并聯(lián)生產(chǎn)出單峰或者雙峰的HDPE產(chǎn)品。UHMWPE的生產(chǎn)過程與普通高密度聚乙烯的生產(chǎn)過程類似，都是采用齊格勒催化劑在一定條件下使乙烯聚合，差別在于UHMWPE的合成采用負載型齊格勒高效催化劑，這種高效催化劑更能使催化效率大為提高，并使聚合工藝得以簡化，從而使裝置投資和生產(chǎn)操作費用大幅度降低。此外，超高分子量聚乙烯生產(chǎn)工藝沒有造粒工藝，產(chǎn)品呈粉末狀。

圖1-6 典型Hostalen工藝流程

1、2—1、2號反應(yīng)器 3—后反應(yīng)器 4—離心分離器 5—流化床干燥器 6—粉末處理器7—膜回收系統(tǒng) 8—溶劑精制與單體回收系統(tǒng) 9—擠壓造粒

（二）UHMWPE纖維的紡絲方法

數(shù)十年來，各國專家學者研究出了許多制備UHMWPE纖維的方法，并對其中的五種方法做了較為深入的研究，主要包括凝膠紡絲（凍膠紡絲）法、固體擠出法、增塑熔融紡絲法、表面結(jié)晶生長法和超拉伸或局部拉伸法。其中，凝膠紡絲法是迄今為止制備UHMWPE纖維最為成熟的工業(yè)化生產(chǎn)方法。

1.凝膠紡絲法

（1）凝膠紡絲的機理。從分子結(jié)構(gòu)看，聚乙烯是接近理論極限強度的最理想高聚物，其分子具有平面鋸齒形的簡單結(jié)構(gòu)，沒有龐大的側(cè)基，結(jié)晶度好，分子鏈內(nèi)無較強的結(jié)合鍵。這些結(jié)構(gòu)特征是減少結(jié)構(gòu)缺陷的重要因素，也是能順利進行高倍熱拉伸的關(guān)鍵。按照分子鏈斷裂機理，從理論上分析，UHMWPE纖維的主要結(jié)構(gòu)特征是非晶區(qū)及晶區(qū)中大分子鏈充分展開，將無限長的大分子鏈完全伸展之后所得纖維的抗張強度就是大分子鏈極限強度的加和。而分子鏈的極限強度可由分子鏈上碳—碳原子之間共價鍵的強度（0.61N）和分子鏈截面積計算得到，對一些聚合物的分子鏈的極限強度進行計算，結(jié)果如表1-3所示。

表1-3 典型聚合物大分子鏈的極限強度

由表1-3可以看出，各種成纖聚合物，特別是柔性鏈聚合物，理論上的極限強度與目前常規(guī)紡絲法得到的纖維實際強度之間存在很大的差距。造成這一差距的原因主要有兩個方面。

①常規(guī)紡絲法所用的纖維聚合體的相對分子質(zhì)量較小，分子鏈的長度十分有限，使纖維中的分子末端增多，由分子末端造成纖維結(jié)構(gòu)上的微小缺陷也必然增多。當纖維受到較大拉力作用時，微原纖之間會產(chǎn)生相對滑移，大分子端部微小缺陷會不斷擴大而導致最后斷裂。日本金元等學者在超拉伸聚乙烯的研究中證實：當聚合體相對分子質(zhì)量由200萬增加到600萬，纖維強度可以從1.2GPa提高到1.6GPa。但是，當聚合體的相對分子質(zhì)量大幅度增加時，紡絲用熔體或聚合體濃溶液的黏度將隨之劇增，采用常規(guī)紡絲法將無法進行。

②目前，各種常規(guī)紡絲法的最大拉伸倍數(shù)均較小，無法使大分子鏈，特別是柔性鏈沿軸向充分伸展。

按照經(jīng)典橡膠彈性理論，具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的各種成纖聚合體的最大拉伸倍數(shù)（λ_max）與交聯(lián)點之間的統(tǒng)計鏈節(jié)數(shù)（N_e）有如下關(guān)系：

即交聯(lián)點之間的統(tǒng)計鏈節(jié)數(shù)越大，后加工中的可拉伸倍數(shù)也越大。為了得到高性能的纖維，必須得到分子平行排列的纖維結(jié)構(gòu)，而得到這樣結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵之一，就是要進行超倍拉伸。因此，UHMWPE纖維制造的關(guān)鍵，就是設(shè)法在凝膠絲中增加統(tǒng)計鏈節(jié)數(shù)，增加統(tǒng)計鏈節(jié)數(shù)的關(guān)鍵在于大幅度降低大分子之間的纏結(jié)點密度。

分析纖維的結(jié)構(gòu)可知，纖維中存在著晶區(qū)和非晶區(qū)相互交叉并存的復雜結(jié)構(gòu)，晶區(qū)和非晶區(qū)的排列方式對纖維的力學性能影響很大。根據(jù)Peterlin形態(tài)結(jié)構(gòu)模型，在常規(guī)法紡制的纖維中，微原纖是由原纖的折疊鏈片晶和非晶區(qū)交替排列呈串連的連接方式，如圖1-7所示，當纖維被拉伸時，實際上張力都集中在片晶之間的非晶區(qū)部分，而模量很高的片晶部分卻對纖維的力學性能幾乎沒有什么貢獻，因此，具有這種結(jié)構(gòu)的纖維，即使結(jié)晶度很高，其力學性能仍為非晶區(qū)所支配。而且，由于非晶區(qū)中縛結(jié)分子極少，力學性能極差，所以，要盡可能地增加非晶區(qū)的縛結(jié)分子數(shù)量，使纖維具有縛結(jié)分子與非晶區(qū)分子并連后再與晶區(qū)串連的結(jié)構(gòu)，如圖1-8所示。具有這種結(jié)構(gòu)的纖維受到拉伸時，主要有縛結(jié)分子承受張力，縛結(jié)分子越多，非晶區(qū)與縛結(jié)分子并聯(lián)的那個區(qū)域的強度和模量就越高，纖維就越能承受超倍拉伸。在較大的張力作用下，越來越多的非晶區(qū)分子先后被拉直而成為縛結(jié)分子，進而形成伸直鏈，使纖維結(jié)構(gòu)向僅含結(jié)晶結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，宏觀上，纖維的強度和模量向理論方向靠攏。

圖1-7 串連力學模型

圖1-8 串并連力學模型

從上述分析可以得出結(jié)論，柔性鏈聚合體纖維的超高倍拉伸必須從以下四個方面去努力：盡可能提高聚合體大分子的相對分子質(zhì)量；盡可能提高非晶區(qū)縛結(jié)分子的含量；盡可能減少晶區(qū)折疊鏈的含量，增加伸直鏈的含量；盡可能將非晶區(qū)均勻分散到連續(xù)的結(jié)晶基質(zhì)中去。

（2）凝膠紡絲工藝。凝膠紡絲工藝分為兩大類，一類是以荷蘭DSM公司為代表的干法紡絲法，工藝流程如圖1-9所示。另一類是以美國Honeywell公司為代表的濕法紡絲法，工藝流程如圖1-10所示。兩者的主要區(qū)別是采用了不同的溶劑和后續(xù)工藝。DSM公司采用十氫萘為溶劑，由于十氫萘易揮發(fā)，可以用于干法紡絲，省去其后的萃取工段。Honeywell工藝采用礦物油（又稱石蠟油或白油）等低揮發(fā)性物質(zhì)為溶劑，礦物油難揮發(fā)，需要后續(xù)的萃取工段，用第二溶劑將第一溶劑萃取出來。

圖1-9 超高分子量聚乙烯纖維干法紡絲法工藝流程示意圖

1—混合釜 2—噴絲板 3—冷卻通道 4、6—牽伸輥 5—拉伸熱箱 7—卷繞裝置

圖1-10 超高分子量聚乙烯纖維濕法紡絲法工藝流程示意圖

1—反應(yīng)釜 2—混合器 3—雙螺桿擠出機 4—計量泵 5—冷卻水槽6—萃取箱 7—干燥箱 8、11—卷繞裝置 9—退繞裝置 10—拉伸熱箱

與濕法路線相比，干法路線中由于十氫萘溶劑允許更高的原液濃度，而且紡絲速度遠遠高于濕法路線，溶劑可直接回收而不需要耗用大量的萃取劑和經(jīng)歷繁復耗能的多道萃取和干燥、大量混合試劑的精餾分離回收過程。因此，干法路線具有工藝流程短、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低、溶劑直接回收、紡絲與溶劑回收系統(tǒng)密閉一體化、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點。目前，干法工藝路線占現(xiàn)有高性能聚乙烯纖維生產(chǎn)能力的80%，成為生產(chǎn)中的主導工藝，是高性能聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。濕法工藝路線目前所用萃取劑為氟利昂，因?qū)Υ髿鈱佑衅茐淖饔枚唤谩?/p>

（3）凝膠紡絲工藝的關(guān)鍵技術(shù)。

①紡絲液的制備。紡絲原液的濃度是一個關(guān)鍵問題。凝膠紡絲采用的濃度在2%～10%，稱為半稀溶液。半稀溶液的最佳濃度取決于聚合體的相對分子質(zhì)量的大小，相對分子質(zhì)量越高，則最佳濃度值越低。從工藝角度看，采用半稀溶液是為了使制得的溶液具有比較適合于紡絲加工的黏度，使紡絲順利進行。從結(jié)構(gòu)角度看，制成半稀溶液的目的是為了使UHMWPE通過溶劑的作用，拆散凝聚纏結(jié)點和部分拓撲纏結(jié)，從而使得到的凝膠絲具有優(yōu)良的可拉伸性，為纖維的高強化打好基礎(chǔ)。圖1-11為不同濃度的紡絲液與纖維分子鏈結(jié)構(gòu)的關(guān)系圖。

圖1-11 溶液中分子鏈的形態(tài)及凝膠化時的片晶及其拉伸后的形態(tài)

②凝膠絲條的超倍拉伸。凝膠絲條的拉伸倍數(shù)是生產(chǎn)UHMWPE纖維的另一關(guān)鍵技術(shù)，決定了大分子的結(jié)晶度和取向度。凝膠絲的拉伸過程就是纖維大分子的結(jié)晶生長和取向生成的過程，其目的是在纖維的結(jié)晶度和取向度提高的基礎(chǔ)上，使大分子鏈由原來的折疊鏈向伸直鏈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這種伸直鏈的形成正是導致UHMWPE纖維高強高模的原因。凝膠絲條的拉伸倍數(shù)均在20倍以上，有的甚至達上百倍，遠遠大于由熔體或濃溶液紡成纖維的拉伸倍數(shù)，因此人們常把凝膠絲條的拉伸稱為超倍拉伸，簡稱為超拉伸。

2.固體擠出法 Bershtin等在1984年用固態(tài)擠出法所得產(chǎn)品的最高拉伸模量可達2155cN/dtex，接近理論值。該方法是將一定量的UHMWPE置于耐高壓擠出裝置中進行加熱熔融，然后以每平方厘米數(shù)千千克的壓力將熔體從錐形噴孔中擠出，隨即進行高倍拉伸。在高剪切力和拉伸張力的作用下，UHMWPE大分子鏈能得到充分伸展，獲得高強度的纖維。由于實際生產(chǎn)過程中受到工藝設(shè)備及本身性能的限制，此法難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

3.熔融紡絲法 英國Leeds大學的LM.Ward教授在1978年和1980年獲得了熔融紡絲法的專利。該方法是用一般的高密度聚乙烯（也可以是低密度聚乙烯）為原料，采用熔體紡絲，然后經(jīng)過高倍熱拉伸得到極高模量的定向聚乙烯纖維。該工藝只限于較低分子量的聚乙烯，因為隨著相對分子質(zhì)量的提高，熔體黏度會劇增，無法進行常規(guī)的熔融紡絲，而較低相對分子質(zhì)量也導致纖維強度較低。該方法也可在UHMWPE中加入流動性的改性劑或稀釋劑，因此又可稱之為增塑熔融紡絲法。

4.表面結(jié)晶生長法 此法是由荷蘭Groningen州立大學高分子學系A(chǔ).J.Pennings和A.Z.Wijnenburg首先提出并加以研究的。如圖1-12所示，將UHMWPE用二甲苯等作為溶劑加熱溶解成為濃度為0.4%～1.0%的溶液，置于Couette裝置中，轉(zhuǎn)動紡絲液中的轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子表面生成聚乙烯的凍膠皮膜，接著在均勻流動的紡絲液中加入晶種，由于晶種的誘導作用使聚乙烯結(jié)晶生長（100～125℃），并以與結(jié)晶生長相同的速度拉出纖維。由于纖維的引出與內(nèi)圓柱的旋轉(zhuǎn)方向相反，故纖維狀結(jié)晶的生長受到沿纖維軸向的力，所得纖維呈羊肉串形的串晶結(jié)構(gòu)，如圖1-13所示。在串晶結(jié)構(gòu)纖維的主干上，實為伸直鏈的大分子（脊纖維），主干的四周還附著片晶（折疊鏈），因此該纖維具有高強度、高模量的特征。

圖1-12 表面結(jié)晶生長法示意圖

圖1-13 聚乙烯串晶結(jié)構(gòu)

該方法制得的纖維強度為48.5cN/dtex，模量為1235cN/dtex。從纖維的制造技術(shù)上講，表面結(jié)晶生長法是一種完全新型的方法，然而結(jié)晶纖維的生長速度很慢，線密度控制難度較大，因此，也難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

5.超拉伸或局部拉伸法 超拉伸或局部拉伸法是將被拉伸的初生纖維加熱到結(jié)晶分散溫度（聚乙烯纖維的結(jié)晶分散溫度為127℃）以上，進行超倍或局部拉伸，使折疊鏈的大分子鏈充分伸展，形成伸直鏈結(jié)構(gòu)，從而獲得高強高模聚乙烯纖維。由于本法受聚合體相對分子質(zhì)量的限制，僅靠拉伸方法使纖維強度提高是有局限性的。

三、UHMWPE纖維的性能

1.物理性能 UHMWPE纖維外觀呈白色，是所有化學纖維中密度最小，唯一能夠漂浮在水面上的高性能纖維。纖維的密度為0.97g/cm³，是錦綸密度的2/3，是碳纖維密度的1/2， UHMWPE纖維復合材料要比芳綸復合材料輕20%，比碳纖維復合材料輕30%。

因為沒有側(cè)基，UHMWPE分子鏈之間的作用力主要是范德瓦耳斯力，流動活化能較小，熔點較低，小于160℃。在受到長時間外力作用時，分子鏈之間易滑移，產(chǎn)生蠕變。UHMWPE纖維主要的物理性能如表1-4所示。

表1-4 UHMWPE纖維主要物理性能

2.力學性能 UHMWPE纖維內(nèi)部高度取向和高度結(jié)晶，使其強度、模量大為提高，具有優(yōu)良的力學性能，Spectra1000纖維的比強度是現(xiàn)有高性能纖維中最高的，比模量僅比高模量碳纖維低。表1-5列出了美國Honeywell公司的Spectra900和Spectra1000與其他幾種高性能纖維單絲的性能比較。

表1-5 幾種高性能纖維的性能對比

續(xù)表

從表中可以看出，Spectra1000纖維的比拉伸強度是現(xiàn)有高性能纖維中最高的，比拉伸模量比高模量碳纖維低，但比芳綸纖維高得多。表1-6和表1-7分別列出了國內(nèi)外工業(yè)化生產(chǎn)UHMWPE纖維的公司、商品牌號及性能。

表1-6 國外工業(yè)化生產(chǎn)UHMWPE纖維的公司、商品牌號及性能

表1-7 國內(nèi)UHMWPE纖維的生產(chǎn)廠家、商品牌號及性能

圖1-14為幾種纖維的比強度、比模量進行了比較。從圖中可以看出，HPPE纖維的比強度、比模量明顯高于其他纖維，在相同質(zhì)量的材料中，強度最高。

圖1-14 各種纖維的比強度、比模量圖

3.耐化學腐蝕性能 UHMWPE纖維具有高度的分子取向和結(jié)晶，大分子截面積小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密規(guī)整，這些特點使其能耐受化學試劑的腐蝕，能阻止水分子的侵蝕，因此， UHMWPE纖維具有良好的耐溶劑溶解性能。

表1-8列出了Spectra纖維和Kevlar纖維在各種化學介質(zhì)中浸泡六個月的強度保留率。從表中可以看出，在同樣環(huán)境下，UHMWPE纖維只有在次氯酸鈉溶液中浸泡六個月后其強度才有所損失（降為91%），而Kevlar纖維在汽油、1mol/L鹽酸溶液等多種介質(zhì)中的強度保留率降低，在次氯酸鈉溶液中其強度保留率為0，可見UHMWPE纖維的環(huán)境穩(wěn)定性非常優(yōu)異，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。

表1-8 Spectra纖維和Kevlar纖維在各種化學介質(zhì)中浸泡六個月后的強度保留率

表1-9給出了室溫條件下UHMWPE纖維耐化學腐蝕性能的實測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明， UHMWPE纖維經(jīng)強酸作用一周后，其強度不變，模量損失10%；一個月后強度損失5%，模量損失10%。相比之下，雖然開始階段模量稍有變化，但隨著時間的增長，沒有進一步變化的趨勢。

表1-9 超高分子量聚乙烯纖維在室溫條件下的耐化學腐蝕性能

4.耐沖擊性能和防彈性能 UHMWPE纖維是玻璃化溫度低的熱塑性纖維，韌性很好，在塑性變形過程中吸收能量，因此，具有良好的耐沖擊性能。圖1-15是各種纖維耐沖擊性的比較，從圖中可以看出，UHMWPE纖維的耐沖擊強度高于芳綸、碳纖維和聚酯纖維，僅小于錦綸。

圖1-15 各種纖維的沖擊強度比較

防彈材料的防彈性能是以該材料對彈丸或碎片能量的吸收程度來衡量的。而防彈材料的能量吸收性是受材料的結(jié)構(gòu)和特性影響的。由于UHMWPE纖維的高模量、高韌性，使其具有相應(yīng)的高斷裂能和高的傳播聲速，防彈性能好。表1-10為三種纖維防彈性能的對比。

表1-10 三種纖維防彈材料的性能比較

5.耐磨性和耐彎曲性能 由于UHMWPE纖維具有較低的摩擦系數(shù)，因此，它具有比其他高性能纖維更加優(yōu)越的耐磨性能。該纖維的耐磨性能非常好，比碳鋼、黃鋼還耐磨數(shù)倍，是普通聚乙烯的數(shù)十倍以上，并且隨著相對分子質(zhì)量的增大，其耐磨性能還進一步提高，但當相對分子質(zhì)量達到一定數(shù)值后，其耐磨性能不再隨相對分子質(zhì)量的增大而發(fā)生變化。

UHMWPE纖維在具有高強性能的同時又有相對大的伸長，因此具有良好的耐彎曲形變性能，同時具有很高的結(jié)節(jié)強度和環(huán)結(jié)強度。表1-11為幾種高性能纖維的耐磨性及彎曲性能比較。

表1-11 幾種高性能纖維的耐磨性和耐彎曲性能比較

6.抗蠕變性能 超高分子量聚乙烯纖維的抗蠕變性能取決于使用環(huán)境的溫度和負荷情況，纖維在35℃和0.011cN/dtex（1g/den）負荷狀態(tài)下的蠕變情況如表1-12所示。與常規(guī)方法得到的纖維相比，其抗蠕變性能已經(jīng)非常杰出。UHMWPE纖維蠕變行為的大小還與凍膠紡絲中使用的溶劑種類有關(guān)，若使用的溶劑為石蠟油、石蠟，則由于溶劑不易揮發(fā)易殘存于纖維內(nèi)，蠕變傾向顯著；而用揮發(fā)性溶劑十氫萘時，則所得纖維的抗蠕變性能極大地改善。

表1-12 超高分子量聚乙烯纖維的蠕變情況

7.電絕緣性 表1-13列出了不同材料的介電常數(shù)和介電損耗值，從表中可以看出，聚乙烯材料的介電常數(shù)和介電損耗最小，適用于制造各種雷達罩。此外，UHMWPE的介電強度約為700kV/mm，能抑制電弧和電火花的轉(zhuǎn)移。

表1-13 聚乙烯與其他材料電性能的比較

8.耐光性和耐高能輻射性能 圖1-16是各種纖維的耐光性比較。顯然，HPPE纖維的耐光性是圖中所有纖維中最好的。芳綸纖維不耐紫外線，使用時必須避免陽光直接照射，而聚乙烯纖維由于化學結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，是有機纖維中耐光性最優(yōu)異的，經(jīng)過24個月光照之后，只有HPPE纖維和PES纖維的強度保持率高于50%，而其他纖維均在50%以下。

高性能聚乙烯纖維在受到高能輻射，如電子射線或γ射線的照射時，分子鏈會發(fā)生斷裂，纖維強度會降低。有研究表明，當對射線的吸收劑量達到100kJ/kg時，會對該纖維的性能產(chǎn)生顯著影響，但當吸收劑量高達3×10⁶kJ/kg時，纖維還可以保持可用的強度。

9.耐切割性能 UHMWPE纖維具有良好的耐切割性能，與Kevlar29的耐切割性能相當，可應(yīng)用于加工制作防切割工作服等。由于該纖維比Kevlar29的加工工藝流程短、無溶劑回收問題、設(shè)備投資少、價格低，因此會在制作防切割紡織品等方面受到重視。表1-14為幾種高性能纖維耐切割性能的比較。

圖1-16 高性能纖維耐光性比較

表1-14 幾種高性能纖維耐切割性能的比較

10.耐低溫性能和耐熱性 UHMWPE纖維在液氦（-269℃）中仍具有延展性，在液氮（-195℃）中也能保持優(yōu)異的沖擊強度，這一特性是其他合成纖維所沒有的，因而它能夠用作核工業(yè)的耐低溫部件。

UHMWPE纖維的熔點為150℃左右，因此，它不能在高溫下使用，這是該纖維最大的缺陷。表1-15給出了UHMWPE纖維在不同溫度及時間條件下物理性能的保持率。由此可以看出，UHMWPE纖維的最高使用溫度為80～100℃。但在稍高溫度短時間內(nèi)仍能保持原有性能，這一點對用于復合材料的加工非常重要。

表1-15 在不同溫度及時間條件下纖維物理性能保持能力

四、UHMWPE纖維的應(yīng)用

1.繩纜索網(wǎng)線類 繩、纜、索類的重要性能指標之一是斷裂強度。UHMWPE纖維的斷裂強度大大高于其他高強度纖維，可制作各種捻制編制的耐海水、耐紫外線、不會沉浸而浮于水面的工具，而且由于UHMWPE纖維具有輕質(zhì)高強、柔曲性好、耐磨損、不吸水、絕緣性好等特點，與鋼絲、麻繩相比，UHMWPE纖維纜繩強力高、伸長低、直徑小、耐用，普遍用于船舶的纜繩、牽引纜繩、拉索繩、鉆井平臺纜繩、采油機繩索等方面。用此纖維制成的直徑1cm的繩索斷裂強度達120kN，與鋼絲繩相比，重量減輕50%，強度卻能提高15%，壽命是鋼絲繩的幾倍，使用及存放方便。在許多低溫應(yīng)用領(lǐng)域，如航天降落傘、飛機懸吊重物的繩索、高空氣球的吊索等，UHMWPE纖維繩纜也是首選。繩纜是現(xiàn)階段UHMWPE纖維最大應(yīng)用領(lǐng)域之一。國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)家纜繩制造商采用UHMWPE纖維制造纜繩。

國內(nèi)用于制作漁網(wǎng)的原料以錦綸和普通聚乙烯纖維為主，錦綸漁網(wǎng)絲年用量6000噸，聚乙烯纖維年用量在20000～30000噸。在網(wǎng)線強度相同的條件下，用UHMWPE纖維加工成的漁網(wǎng)重量比普通聚乙烯纖維漁網(wǎng)輕50%以上，或同樣重量的纖維可制造更大尺寸的網(wǎng)具，使其每平方米的拉網(wǎng)阻力減少40%，即在同等功率的船只上可使用開口面積更大的拖網(wǎng)，使捕魚效率提高80%。UHMWPE纖維還可以用于養(yǎng)魚網(wǎng)箱的制造。國外已經(jīng)有這方面的應(yīng)用，國內(nèi)還處于開發(fā)階段。

目前，釣魚線和球拍弦主要用錦綸和聚酯制作。一般錦綸釣魚線的標準強度為7.5cN/ dtex，球拍弦的性能要求目前還不能完全量化，使用者對球拍弦的性能有不同的要求， UHMWPE纖維的釣魚線和球拍弦將會給不同層次的消費者提供更多的選擇。

2.防護用品 防護用品是目前UHMWPE纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域，單是單向織物（簡稱UD布）的生產(chǎn)就使用了UHMWPE纖維總量的45%以上，UD布是生產(chǎn)防彈衣、防刺服、防彈板、防彈裝甲的核心材料，其中最主要的產(chǎn)品是軟質(zhì)防彈衣。UHMWPE纖維防護用品與芳綸、碳纖維防護用品，以及陶瓷、鋼鐵、合金防護用品相比，在保證防護性能的前提下，大大降低了防護用品的質(zhì)量。例如，用于頭盔可減重400g左右，相當于殼體重的30%～40%，可大大減輕使用人員的負擔，所以深受歡迎。表1-16為各種頭盔防彈性能的對比。在輕質(zhì)裝甲方面，UHMWPE纖維有很好的應(yīng)用前景，如可用于直升機防護裝甲、坦克裝甲、裝甲車裝甲等。另外，UHMWPE纖維防護用品的使用溫度可低至零下150℃，已經(jīng)超出地球低溫極限，因此在高寒地區(qū)，UHMWPE纖維產(chǎn)品是防護用品的首選。

表1-16 各種軍用頭盔的防彈性能

3.航空航天 由于UHMWPE纖維復合材料輕質(zhì)高強和抗沖擊性能好，在航空航天工程中應(yīng)用廣泛，適用于各種飛機駕駛艙內(nèi)壁、飛機座艙防彈門、飛機的翼尖結(jié)構(gòu)、飛船結(jié)構(gòu)和浮標飛機等。以其制成的武裝直升機和戰(zhàn)斗機的殼體材料還具有優(yōu)異的防彈性能。

4.體育器材用品 UHMWPE纖維可用于制作各類球拍、安全帽、滑雪板、帆板、釣竿、沖浪板、自行車骨架、安全防護罩和擊劍服等。由于UHMWPE纖維復合材料比強度、比剛度高，加之韌性和損傷容限好，因此制成的運動器械既輕又耐用。

5.生物醫(yī)用材料 UHMWPE纖維的生物相容性和耐久性都較好，化學穩(wěn)定性好，不會引起人體的過敏反應(yīng)和生物排斥反應(yīng)，作為生物醫(yī)用材料已成功應(yīng)用于牙托材料、醫(yī)用移植物、醫(yī)用縫合線及人造器官。目前，UHMWPE纖維還可以制備形狀復雜且具有多孔的支架材料，例如，現(xiàn)在已經(jīng)成功開發(fā)出熔融堆積方法生產(chǎn)的人耳組織支架。將UHMWPE纖維作為血液泵的材料，經(jīng)測試無生物毒性并且可以長期使用。UHMWPE纖維與乙烯、丁烯和苯乙烯彈性體共混作為血液袋可以耐-196℃的低溫，并且在低溫下保持良好的塑性。

6.紡織行業(yè) 由于UHMWPE纖維具有良好的紡織加工性能，故可以加工成二維機織物、針織物和非織造布。針織物主要用于防切割產(chǎn)品，機織物和非織造布主要用于防刺產(chǎn)品。根據(jù)使用要求，有些直接疊合使用，有些則制成復合材料使用。UHMWPE纖維也可以根據(jù)使用要求加工成三維織物，作為復合材料的增強體。

7.建筑材料 UHMWPE纖維可以替代鋼筋用于建筑材料，其復合材料可用作墻體、隔板結(jié)構(gòu)等。以UHMWPE短纖維增強的水泥復合材料，可以改善水泥的韌度和強度，提高水泥的抗沖擊性能，綜合性能遠遠優(yōu)于普通的鋼筋水泥材料。此外，由于UHMWPE纖維復合材料具有輕質(zhì)、高強、抗腐蝕、耐疲勞等特點，優(yōu)于建筑鋼材，因此，在土木建筑工程結(jié)構(gòu)加固中采用此纖維復合材料比采用鋼板或其他傳統(tǒng)加固方法具有非常明顯的優(yōu)勢，例如，在橋梁、隧道、房屋等結(jié)構(gòu)抗震加固補強方面有很廣闊的應(yīng)用前景。

8.其他行業(yè) 由于UHMWPE纖維的抗拉強度高，抗化學腐蝕和抗溶解性能好，以其為原料通過纏繞或手糊的方式制成的復合材料可制成耐壓容器，適用于存儲各種氣體或液體介質(zhì)。UHMWPE纖維的介電常數(shù)低，介電損耗值低，電信號失真小，是制作高性能輕質(zhì)雷達罩的首選材料，以其復合材料制成的各種類型的雷達罩可應(yīng)用于不同場合。UHMWPE纖維可用于制作防洪搶險用的高強塑料網(wǎng)石兜、傳送帶、過濾材料、光纜包覆線、光纖電纜加強芯、X光室工作臺、揚聲器材、聲吶裝置等。

五、UHMWPE纖維的改性

UHMWPE纖維的聚合物分子結(jié)構(gòu)單元不含極性基團，分子間作用力弱，分子容易內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此玻璃化溫度及熔點低，耐高溫性差，抗蠕變性也差。又由于UHMWPE纖維的化學組成只含有亞甲基，無極性基團，難與樹脂基體形成化學鍵，同時，其所具備的低表面能和化學惰性的特點，也使其很難潤濕，難與樹脂結(jié)合，這就導致其表面黏結(jié)性差，集中表現(xiàn)在與樹脂基體制成復合材料后，界面結(jié)合力很低，復合材料的層間剪切強度較差，造成復合材料在使用過程中出現(xiàn)層間破壞現(xiàn)象。

針對以上這些缺陷，對UHMWPE進行改性處理變得尤為重要。目前，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了多種對UHMWPE纖維進行表面改性處理的方法，主要的方法有以下幾種。

1.低溫等離子體處理法 與一般處理方法相比，等離子體處理具有高效、可靠、無污染、對纖維損傷小等優(yōu)點。等離子體處理法可分為低壓與高壓等離子體處理法、低溫與高溫等離子體處理法、表面形成聚合物與表面不形成聚合物等離子體處理法等處理方式。

UHMWPE纖維的表面改性采用低溫等離子體處理法，對纖維產(chǎn)生多方面的作用。

（1）刻蝕作用，增加了纖維的比表面積，有利于纖維與基體樹脂產(chǎn)生機械錨合作用。

（2）氧化作用，使纖維表面產(chǎn)生含氧活性基團，可與基體樹脂發(fā)生化學反應(yīng)，形成化學鍵。

（3）浸潤作用，提高了纖維的表面能，增強了纖維對基體樹脂的親和力。

等離子處理的這些作用，有效地增強了纖維與基體樹脂的界面結(jié)合，提高了復合材料的層間剪切強度。

吳越等用空氣等離子體法對UHMWPE纖維的表面處理進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等離子體處理使纖維表面產(chǎn)生了大量的自由基和含氧基團，使纖維復合材料的剪切強度從未處理的5.98MPa提高到了18.1MPa。

2.化學試劑處理法 處理UHMWPE纖維的化學試劑多為強氧化劑，如鉻酸、高錳酸鉀溶液和雙氧水等。纖維表面經(jīng)這些試劑氧化浸蝕會產(chǎn)生含氧活性基團，與基體形成化學鍵。同時，化學試劑對纖維表面產(chǎn)生的化學刻蝕，使纖維表面形成不規(guī)則的條紋，粗糙度增加，提高了纖維與基體樹脂的接觸面積，有利于纖維和樹脂間的力學嚙合，從而提高其黏結(jié)性能。

3.輻射引發(fā)表面接枝處理法 輻射引發(fā)表面接枝是在UHMWPE纖維表面通過輻射引發(fā)第二單體，如丙烯酸類單體丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）等進行接枝聚合，從而在纖維表面覆蓋一層與UHMWPE纖維化學性質(zhì)不同的涂層，以此來改善UHMWPE纖維與基體間的黏接性能。通常輻射源為60Co、γ射線、電子束、紫外線等。其中紫外線引發(fā)接枝是先引發(fā)光敏劑（如二苯甲酮），再由光敏劑引發(fā)單體接枝到UHMWPE纖維表面。

4.電暈放電處理法 20世紀80年代以后，電暈放電處理法被應(yīng)用到非極性纖維材料的表面處理上。該方法是讓UHMWPE纖維通過電暈放電裝置氧化產(chǎn)生微坑、表面交聯(lián)、鏈斷裂，以及消除弱邊界層，使表面能增大，以改善UHMWPE纖維與基體樹脂間界面的黏接性。

5.其他改性方法 對UHMWPE纖維進行改性處理的方法還有很多，如本體改性法、壓延法、涂層法、溶脹法和激光法等，這些方法在一定程度上都能增加UHMWPE纖維與基體的黏結(jié)強度。