超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

第1期50

2011年3月

纤维复合材料

FIBERCoMPoSITES

Nl

Mar.,2011

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

赵刚,赵莉,谢雄军

(中国航天第三研究院,北京100074)

摘要本文简要介绍了世界高性能纤维主要品种——超高分子量聚乙烯纤维的基本性能和主要应用领域,重点

归纳了十几年来国内外相关企业的生产,技术和行业发展状况,综合分析了国内外超高分子量聚乙烯纤维及其复

合材料市场的供需趋势,指出了该种纤维行业具有良好的产业发展优势与前景. 关键词高性能纤维;超高分子量聚乙烯纤维(UHMW—PE纤维,HS—HMPE纤维);复合材料市场

UltraHighMolecularWeightPolyethyleneFiberMaterial TechnologyandMarketDevelopmentProspect

ZHAOGang,ZHAOLi,XIEXiongjun (TheThirdResearchAcademyofChinaAerospace,Beijing100074) ABSTRACTThissummarydescribeshighperformancefiber_一ultrahighmolecularweightpolyethylene(UHMW—

PE)fiberintheword,anditsbasicperformanceandmainapplicationarea,focusrelatedenterp riseofproduction,technolo?

gYandindustrydevelopmentstatus,analysisthemarketofthesupplyanddemandtrendsofthe fiberanditscomposites,

pointedoutthatthefiberindustryhasdevelopmentadvantageandbroadmarketprospect. KEYWORDSHi小performancefiber;UHMW—PEfiber(HS—HMPEfiber);Compositesmarket

1国外超高分子量聚乙烯纤维技术

的发展

上世纪七十年代后期,以白色粉末状超高分子

量聚乙烯为原料,采用全新的冻胶纺丝及超拉伸技

术,制得了超高强高模的聚乙烯纤维(也称为超高

分子量聚乙烯纤维,简称UHMW—PE纤维或HS—

HMPE纤维),使得世界化学纤维和化学纤维工业开

始了新的飞跃.超高分子量聚乙烯纤维具有优异的

物理机械性能,成为继碳纤维和芳纶纤维之后出现

的第三代高性能纤维,它是目前已经工业化的纤维

中强度最高的纤维.就强度而言,目前使用该种纤

维制得的绳索可以吊起来的最大重量,是同样粗细

钢丝绳吊起的最大重量的8倍.此外,超高分子量

聚乙烯纤维的密度小于碳纤维和芳纶纤维,还具有

特别优异的耐化学性和耐气候性,高能量吸收性,低

导电性,拒水性,在长时间光照下仍能保持高强高模

的特性.鉴于超高分子量聚乙烯纤维具有优异的力

学性能和其它特种纤维无法比拟的特点,该纤维被

称为继碳纤维和芳纶纤维之后又一种主要的高性能

纤维,其生产简要工艺流程图见图1.

图1UHMW—PE纤维生产简要工艺流程

1979年,荷兰DSM公司申请了该种纤维一些

专利以后,立即引起了世界的广泛关注.随后美国

的Allied联合信号公司(即现在的Honeywell公司)

购买了该专利,经改进后水平进一步提高.到了九

十年代中期,它们的生产规模都达到了1000吨/

年.直到上世纪九十年代末以前,国际上只有荷兰DSM公司,美国Allied公司,日本东洋纺公司和三

井公司等几家公司形成了专利技术,并已形成工业

化规模的生产.随着超高分子量聚乙烯纤维生产的

发展,纤维的品质在不断地提高,用途范围也在不断

1期赵刚等:超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展扩大.

西方这几家公司采用封锁技术,操纵价格等手

段,相对垄断了超高分子量聚乙烯纤维国际销售市场,并在相当长时期内将此类产品列为"巴黎统筹

协议"中禁止向社会主义国家出口的军事用品.

荷兰的DSM公司最早将其所生产的超高分子

量聚乙烯纤维产品命名为"高韧性高模量聚乙烯纤维".尽管该种纤维名称有所不同,但所使用的原

料都是平均分子量在100万左右,甚至平均分子量

在500万以上的线型聚乙烯颗粒.由于超高分子量

聚乙烯分子链长,且相互高度缠结,结晶度在60%

～

85%,密度为0.92～0.94g/cm之间,熔体呈高

弹态,粘度极高,几乎没有流动性,难以采用通常的

熔融法纺丝制造出高强度高模量的纤维.直到二十

世纪七十年代,荷兰DSM公司以粉末状超高分子量聚乙烯采用"冻胶纺丝——超倍拉伸工艺"纺制出

高韧性高模量聚乙烯纤维后,以超高分子量聚乙烯

为原料实现高性能纤维的工业化生产才有了突破性进展.

目前,荷兰的DSM公司,美国的Honeywell公

司,日本与荷兰DSM公司在13本联合建立的东洋纺织一DsM公司,以及13本的三井公司都已实现了工

业化生产.在国际市场上,其中三个公司先后推出

自己的品牌,有Honeywell公司的Spectra900,Spec—tra1000和Spetra2000,DSM公司的DyneemaSK60, SK65,SK70,SK75,SK76,SK77等,以及日本三井公

司的Tekmilon品牌.

2纤维材料的主要特点

2.1物理性能

一

般而言,超高分子量聚乙烯纤维本身具有三

种形状:即单丝,复丝和带子,形状规格不同,其物理性能差异较大.理想状态下的该类纤维具有最好的力学性能,故有人称其为"纤维之王".国外研究报

告称,该纤维因其综合性能优于目前常用的芳纶和碳纤维而可能成为世界上最优秀的增强纤维材料. 同时它的比重比水还小,可能是目前世界最轻的高性能工业化纤维.

2.2耐气候性能

该种纤维具有优异的耐气候性能,在长时问光

照下仍能保持其高强高模的特性,这得益于其化学结构的惰性及特殊的物理结构.

2.3耐磨耐弯曲性能

由于该种纤维具有较低的摩擦系数,因此它具

有比其他高性能纤维更加优越的耐磨性能.同时该纤维在具有高强性能的同时又有相对较大的伸长, 因此具有良好的耐弯曲形变性能(如表1所示).

该种纤维易于制成针织,机织及其他织物,更易于复合加工成型.

2.4耐化学腐蚀性能

该种纤维由于化学结构单一惰性,并且具有高