超高分子量聚乙烯纤维的性能与应用

超高分子量聚乙烯纤维的性能与应用

孙山峰、代士维、徐绍魁
（上海联乐化工科技有限公司 上海 201500）

摘要

超高分子量聚乙烯纤维是世界三大高性能纤维之一，因为它的化学性能和物理机械性能极具优势，在很多领域广泛使用，比如：军事上、工业上、航海上、航空航天上等。同时超高分子量聚乙烯纤维是我国要重点发展的高科技项目，也是我国极力发展的特种纤维之一。本文综合阐述了什么是超高分子量聚乙烯纤维，超高分子量聚乙烯纤维的发展历程、性能和应用，并对它的发展前景进行了预估。

关键词：超高分子量聚乙烯纤维；性能；应用

超高分子量聚乙烯纤维作为我国新型高性能纤维，因为具有高强度、高模量、低断裂伸长率等优良的力学性能，优良的耐冲击性能、耐化学腐蚀性能等优良性能，使超高分子量聚乙烯纤维应用在我国的各个领域，且具有良好的发展前景。

1.什么是超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维简称UHMWPE纤维，别名又叫做高强高模聚乙烯纤维，是分子量150万以上的无支链的线性聚乙烯。它和碳纤维、芳纶合称为“世界三大高科技纤维”。它是将分子量在100万以上的聚乙烯进行纺丝和高倍牵伸而制成的纤维。

超高分子量聚乙烯纤维是世界上最坚强有韧性的纤维。用俗话说就是：“轻薄如纸，坚硬如钢”，强度是钢铁的15倍，是目前制造防弹衣的主要材料。

2.超高分子量聚乙烯纤维的发展历程

超分子量聚乙烯产业发展十分迅速，上世纪30年代有人最早地提出了有关于超高分子量聚乙烯纤维的基础理论；凝胶纺丝法和增塑纺丝法的出现使超高分子量聚乙烯在技术攻关上取得了极大的突破；

上世纪70年代，英国利兹大学的Capaccio和Ward首先研发分子量为10万的高分子量聚乙烯纤维成功，使超高分子量聚乙烯纤维取得了阶段性的进步；

1964年中国研制超高分子量聚乙烯纤维成功并将其投入到工业生产中；

1 9 7 5 年， 荷 兰 利 用 十 氢 萘 做 溶 剂 研 发 了 凝 胶 纺丝 法(Gelspinning)，成功制作出超高分子量聚乙烯纤维，并在1979年发明高强聚乙烯纤维的有效方法，具有工业化前途；

1983年日本采用凝胶挤压超倍拉伸法，以石蜡作溶剂，生产超高分子量聚乙烯纤维；

2001年中国科学技术部国科计字(2000)056号文件将超高分子量聚乙烯纤维作为国家科技重点发展的高科技项目。超高分子量聚乙烯纤维属于化工类新材料、新产品。而且被国家计委科技部列为国家科技成果重点发展计划。

3.超高分子量聚乙烯纤维的优良性能

超高分子量聚乙烯纤维具有很多优良的性能，例如：优良的力学性能、优良的耐冲击性能、优良的耐磨性能、耐化学腐蚀性能、优良的耐光性能等等。

(1) 超高分子量聚乙烯纤维优良的力学性能

超高分子量聚乙烯纤维具有优良的力学性能，在线性密度相同的情况下，超高分子量聚乙烯纤维抵抗拉伸的强度是钢丝绳的15倍。比同为“世界三大高科技纤维”之一的芳纶高百分之四十，比优质钢纤维和普通的化学纤维高10倍。与钢、E玻璃、尼龙、聚烯胺、碳纤维和硼纤维相比，其强度和模量比这些纤维都高，在相同质量的材料中强度最高。

(2) 超高分子量聚乙烯纤维优良的耐冲击性能

超高分子量聚乙烯纤维具有优良的耐冲击性能，它在变形和塑形过程中的吸收能量的能力和抵抗冲击的能力比同为“世界三大高科技纤维”的芳纶纤维、碳纤维都高。与聚酰胺、芳族聚酰胺、E玻璃纤维、碳纤维、芳纶相比，超高分子量聚乙烯纤维比冲击总吸收能量还要高。

(3) 超高分子量聚乙烯纤维优良的耐磨性能

一般来说，材料的模量越大，耐磨性能就会越低，但是对于超高分子量聚乙烯纤维来说，正好相反。因为超高分子量聚乙烯纤维具有较低的摩擦系数，所以模量越大，其耐磨性能越高。将超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维、芳纶纤维的增强塑料摩擦系数比较，超高分子量聚乙烯纤维的耐磨性和弯曲疲劳度远远高于碳纤维和芳纶纤维。所以它的耐磨性能比其他高性能纤维更加优良。还由于它的耐磨，耐弯曲性能优越，所以它的加工性能也比较优越，容易制作成为其他复合材料和织物。

(4) 超高分子量聚乙烯纤维耐化学腐蚀性

超高分子量聚乙烯纤维化学结构比较单一，化学性质比较稳定，而且它具有高度结晶的结构取向，使得其在强酸和强碱中不易于受到活性基因的攻击，能够保持它原有的化学性质和结构。所以，大部分的化学物质都不容易腐蚀它，只有极少数的有机溶液可以将它轻度溶胀，而且它的力学性能损失小于百分之十。将超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维进行在不同化学品介质中的强度保留率进行比较。超高分子量聚乙烯纤维的耐腐蚀性能明显高于芳纶纤维，它在酸、碱、盐中的性质结构特别稳定，只有在次氯酸钠溶液中强度有所损失。

(5) 超高分子量聚乙烯纤维良好的耐光性能

因为超高分子量聚乙烯纤维的化学结构稳定，所以它的耐光性也是高科技纤维中最优越的。芳纶纤维不耐紫外线，只有在避免阳光直接照射的情况下使用。将超高分子量聚乙烯纤维与尼龙、高模量和低模量的芳酰胺进行对比，超高分子量聚乙烯纤维的强度保留率明显高于其他纤维。

(6) 超高分子量聚乙烯纤维的其他性能

超高分子量聚乙烯纤维还具有良好的疏水性能、耐水耐湿性能，电绝缘性能和较长的曲折寿命。其耐水和耐低温性能突出，比重较小，是唯一能漂浮在水上的高科技纤维，还是一种比较理想的低温材料。

但是它也有其缺点，就是熔点较低。在对其加工过程中温度不能超过130℃，否则就会因为超高分子量聚乙烯纤维之间分子链间作用力较弱的原因，使其发生蠕变现象，减短使用寿命。超高分子量聚乙烯纤维上不存在染基团，使其浸润性差，染料很难渗透到纤维内部，导致它的染色性差，这些缺点影响了它的应用领域的范围。

4.超高分子量聚乙烯纤维的发展前景和应用领域

超高分子量聚乙烯纤维是强度最高的化学纤维，目前已经实现了工业化的生产。因具有优越的力学、耐腐蚀、耐磨、耐光等性能，提高了设备的使用寿命，提高了设备的性价比等，超高分子量聚乙烯纤维以然成为新时代迅猛发现的高新技术材料。广泛应用于安全防护、航空、航天、航海、电子、兵器、造船、建材、体育、医疗等各个领域。

在体育用品中，将其制作成为安全帽、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；

在航天工程中，由于其比重小和抗冲击性能好，适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。也能用来作为航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索；

在医学方面，被用于牙托材料、医用移植物和整形缝合等方面，它不会引起过敏，已经被作为临床应用。还用于医用手套和其他医疗措施等方面。

5.总结

经过我国一代又一代人对高科技材料的探索，终于将超高分子量聚乙烯纤维纳入我国的知识产权之中。超高分子量聚乙烯纤维因其优良的各种性能，使其在目前处于纤维中的不败地位，被应用到我国的国防、医疗、航天、航空和航海等多个领域。

素材来源 | 上海联乐化工科技有限公司

本期编辑 | 丰云瑶

技术顾问 | 李斌博士

文章审核 | 张娜

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