超高分子量聚乙烯纤维的性能与应用

摘 要：超高分子量聚乙烯纤维是世界上几种优良的高性能纤维之一。由于其在化学和物理性能方面的优势，它被广泛用于许多行业，例如国防军事，工业生产，航天航空等。超高分子量聚乙烯纤维是中国发展的重要项目，并且也是特种纤维之一。本文对超高分子量聚乙烯纤维的性能和应用进行了综述。

关键词：超高分子量聚乙烯纤维;性能;应用

1 超高分子量聚乙烯纤维的优良性能

UHMWPE 的独特结构赋予了其优秀的理化特性，但 UHMWPE 柔性线性大分子主链结构及其极高的分子量（长的分子主链）同时制约了这一材料的成型工艺。由于其分子链较长，UHMWPE 大分子链在熔融后仍然保持着高度的相互卷曲缠绕状态，导致其在熔融状态下粘度过高，不能形成粘流态而是呈现高弹态，熔融指数几乎为0，因此无法通过聚乙烯常用的热熔融实现挤出和纺丝等加工成型方法;同时，高弹态下的UHMWPE 具有的临界剪切速度较低，熔体的粘度很大，因此在挤出或者注塑工艺中容易使制品表面出现起伏不平、扭结、粗糙、熔体破裂等问题，同样是造成材料难以加工的因素。与常规纤维相比，UHMWPE 纤维的最让人关注的是其超高的拉伸强度及拉伸模量、较低的密度、以及柔性链结构为基础的高抗冲性能。另外，UHMWPE 纤维的绝缘性，耐低温性，化学稳定性及疏水性等均较优异。

1.1 超高分子量聚乙烯纤维优良的力学性能

UHMWPE纤维具有优异的力学性能。在相同线密度下，UHMWPE纤维的拉伸强度是钢丝绳的15倍，比芳纶纤维高40%，是优质钢纤维和普通复合纤维的10倍。与钢、E夹层玻璃、尼龙、聚烯胺相比，具有更高的强度和模量，在相同质量的原材料中，强度最高。

1.2 超高分子量聚乙烯纤维优良的密度与比强度

UHMWPE纤维的密度约为0.95g/cm3～0.98g/cm3，与碳纤维、芳纶纤维相比具有更低的密度，密度小于水的密度，与聚丙烯类似，是一种密度小于水的特种高性能纤维。

UHMWPE纤维是一种轻质高强纤维，比强度远胜于碳纤维、芳纶为主的其他特种高分子纤维。

UHMWPE纤维的拉伸比强度约为2.8～4N/tex（密度以0.98g/cm3计算，则拉伸强度约为2744MPa～3920MPa）;拉伸比模量约为91～140N/tex（密度以0.98g/cm3计算，则拉伸模量约为90GPa～137GPa）。虽然UHMWPE纤维拉伸强度与碳纤维、芳纶等特种纤维相近，但UHMWPE的拉伸比强度要比芳纶和碳纤维大约50%，基本是目前拉伸比强度最大的高分子特种纤维。

1.3 超高分子量聚乙烯纤维优良的耐磨性能

一般而言，原材料的模量越大，耐磨性越低，但是对于UHMWPE纤维，则相反。由于UHMWPE纤维的摩擦系数较低，模量越高，耐磨性越高。因此，其耐磨性优于其他优良的化学纤维。由于其耐磨性和抗弯曲性，它具有出色的生产和加工特性，并且易于制造其他聚合物材料和纺织品。

1.4 超高分子量聚乙烯纤维耐化学腐蚀性

UHMWPE纤维的化学结构相对简单，物理性能相对稳定，它具有高晶体结构的趋势[1]。因此，强酸强碱中的活性基因不易攻击，并且只有少数几种其他有机化学水溶液可以使它轻度溶胀，并且其力学性能损害小于10%。超高含量聚乙烯纤维和芳纶纤维在不同化学药品中的抗压强度保持率非常高。超高含量聚乙烯纤维的耐蚀性明显比芳纶纤维搞。其结构在酸，碱和盐中非常稳定，仅在次氯酸钠溶液中其强度才会被破坏。

1.5 超高分子量聚乙烯纤维良好的耐光性能

UHMWPE纤维的化学结构稳定，因此其耐光性也是新型化纤中最优异的。UHMWPE纤维的强度保持率明显高于尼龙，高、低模量芳纶纤维的强度保持率有所提高。

1.6 超高分子量聚乙烯纤维的其他性能

UHMWPE纤维具有优异的疏水性，耐湿性，绝缘性和使用寿命。其耐湿性和耐寒性优异，并且比重小。它是唯一可以在水上漂浮的新型化纤，还是理想的低温纤维。然而，它也具有缺点，即低熔点。在生产过程中，温度不应超过130℃，否则，由于UHMWPE纤维的分子结构链之间的相互作用力弱，将引起应力松弛并缩短使用寿命。UHMWPE纤维没有染基团，这使它们的渗透性差，并且染料不能渗透到纤维中，从而导致染性差。此缺陷影响了其主要用途的范围。

2 超高分子量聚乙烯纤维的应用技术

到目前为止，UHMWPE纤维的主要用途已越来越广泛。其产品的生产和制造方法也多种多样。

2.1 吊装、拖拽等方面的应用

UHMWPE纤维的典型应用是绳、网、丝。这些产品是通过加捻和加捻UHMWPE纤维束制成的。超高分子量聚乙烯纤维的拉伸强度与拉伸模量极大，具有很高的化学稳定性，对海水腐蚀的耐受性好，还具有较大疏水性，能够防止海洋中微生物的附着等特点;同时 UHMWPE 纤维的密度小于海水密度，可以浮于海面上，所以这种纤维材料非常适合在海洋环境下作为缆绳使用;可以用作捕捞渔网，钓鱼线，声呐拖绳等。UHMWPE 纤维还可以编织成船帆，或者船舶蒙布等。这些产品由超高分子量聚乙烯纤维制成，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）光缆的应用解决了钢丝绳在生锈、腐蚀、水解反应、紫外溶解等情况下需要经常更换的问题。

2.2 防护织造制品的应用

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维安全防护纺织品具有良好的抗激光切割、抗刺穿和抗链轮齿性能。超高分子量聚乙烯纤维可以替代芳纶作为防弹衣等防护装备的材料，有效减轻装备质量，提高防护性能。可以用于军用装备的材料，如防暴护具、雷达罩布、军用飞机组成材料等，同样能获得较高的性能，而减轻装备相当一部分质量。防止织物切割的主要是针织品。首先选择氨纶和超高分子量聚乙烯纤维，然后选择聚酯、尼龙、玻璃纤维和铁丝中的一种或多种，然后覆盖一次或两次。该产品通常具有不同的防割结构，经织造和后续加工后成为防割产品。这些产品主要用于保护警察、拳击手和伐木工人。防刺产品主要是无纺布和机织物。根据要求和要求，有的可以直接层压，有的是复合材料。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维优异的抗剪强度和抗刺强度与其他纤维几乎不可比拟。

2.3 防弹UD复合材料的应用

将超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维捆扎、摊铺、涂胶、干/热压制成UD（单向）布。当UD织物以[00/900]1或[00/900]2或其他角度复合后，可以制备UD复合材料的基本单元层。只需将基本单元层直接折成柔软的防弹材料，热压后再折成坚硬的防弹材料即可[2]。当然，不同的层会产生不同的防弹效果。因此，应通过实验确定不同的防弹等级。软质防弹材料主要用于防弹衣、防弹毯等需要柔软的地方;硬质防彈材料主要用于防弹帽、防弹板、防弹套等需要高防弹或形状的地方。

2.4 运动器材的应用

类似于碳纤维，尼龙纤维等高强度高分子纤维，UHMWPE纤维同样可以应用于民用运动器材当中。另外，由于 UHMWPE 纤维成本较低，相比碳纤维更具有价格优势。UHMWPE 纤维可用作生产钓鱼竿，钓鱼线，标枪，羽毛球拍，冲浪板，雪橇，篮球网，足球网，自行车，摩托艇，赛艇，赛车，帆船等。

2.5 医学方面的应用

UHMWPE 纤维及其复合材料，由于具有较好的耐久性、生物相容性、稳定性的特点，并且不容易引起过敏，在医用手套、医疗器械、整形缝合线、移植物及牙托材料领域使用广泛。

3 总结

经过几代高科技材料在中国的探索，超高分子量聚乙烯纤维最终被纳入中国的知识产权。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维由于其优异的性能而在纤维领域中处于不可战胜的地位，并已广泛应用于中国的国防，医疗，航空，航天，航海等领域。

参考文献：

[1]孙山峰，代士维，徐绍魁.超高分子量聚乙烯纤维的性能与应用[J].当代化工研究，2019（07）：97-98.

[2]何正洋，潘志娟.超高分子量聚乙烯纤维的结构与性能[J].现代丝绸科学与技术，2018，33（04）：5-7.

作者简介：

刘佳（1988- ），男，汉族，四川宜宾人，大学本科，四川省宜宾普什建材有限责任公司管件车间主任，养就放心：主要从事聚乙烯材料、聚丙烯材料的加工。