超高分子量聚乙烯综述

超高分子量聚乙烯纤维性能及应用

摘要：超高分子量聚乙烯纤维有着高取向度，高结晶度，强力、模量高，抗冲击，耐腐蚀，耐光照，耐挠曲，耐磨损等优点。它的密度比水小，介电性能好。超高分子量聚乙烯纤维的缺点是使用温度不高，耐氧化性能差，抗蠕变性能差，表面加工困难。正是超高分子量聚乙烯纤维自身所具有的这些特点，它在抗冲击防护、低温、耐压、海洋工程、渔业等领域有着广泛地使用。

关键词：超高分子量聚乙烯纤维性能应用

The Properties and Applications of Ultra- high Molecular

Weight Polyethylene Fibre

Abstract：Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fibre was high orientation degree，crystallinity，tensile strength and modulus，impact resistance，good corrosion resistance，light aging resistance，resistance to flexure，and wear resistance advantages etc．It had the small density than water，and good dielectric properties．The defect of UHMWPE fiber were that the used temperature was not high，oxidation resistance performance was poor，creep resistance was poor，and surfacing processing was difficult . Just UHMWPE fiber itself with these characteristics，it was widely used in the impact resistance，low temperature，pressure resistance，ocean engineering，fishery，etc．Key words：ultra-high molecular weight polyethylene(UHMWPE) fibre；properties; applications 一超高分子量聚乙烯纤维的性能

超高分子量聚乙烯纤维是自上个世纪80年代发展起来的一种高性能纤维，工业化生产采用凝胶纺丝超倍拉伸技术，是凝胶纺丝技术中的代表产品。一问世便以出色的性能受到市场的关注。20多年的发展过程中，生产技术不断改进，性能、产量均有长足的进步。现如今，该种纤维世界范围内生产能力超过1万吨/年，商业级顶级产品的强度能达到40cN/dtex。

超高分子聚乙烯纤维具有高取向度，高结晶度，微纤沿拉伸方向排列规整度高，使用电子显微镜还能够观察到“串晶”结构。这些结构赋予其良好的机械性能：沿纤维轴向方向，纤维具有很高的耐拉伸性，比强度，比模量都较高；即使在很低的温度下，该纤维仍能够保持柔软，有研究表明，即使在-150℃的条件下，纤维也无脆化点[1]。该纤维的缺点也很明显，不耐高温，表面加工困难，不易染色，不易与其他材料粘接，耐蠕变性能差。通过对超高分子量聚乙烯纤维的结构与性能进行比较、联系，人们对这种纤维诸多性能的内部结构原因有

了较深入的认知。用于制作超高分子量聚乙烯纤维的原料分子量较高，一般在100万以上；具有比较高的结晶度，产品的结晶度一般不低于75％；有较高的取向度，微纤轴方向与纤维轴方向之间的夹角COSψ, 值一般不低于0.9697；这些特点赋予其沿拉伸方向有着较高的强度，一般在24cN/dtex以上；较高的模量，一般在700 cN/dtex以上。可通过提高分子量，增加纤维中伸直链结构等方法进一步提高其强度和模量。

超高分子量聚乙烯纤维的基本结构为聚乙烯，聚乙烯分子本为非极性分子，无极性基团，分子间作用力小，分子易发生内旋转。这些结构特点导致聚乙烯纤维熔点较低，通常不高于170℃；耐蠕变性能差，70℃，72h，20％负荷蠕变实验，原纤伸长率不低于3.0％。如若提高其耐高温，耐蠕变性能，需要对纤维进行改性处理，引入极性分子或使其内部发生交联。目前这方面还没有听说有实质性的研究进展。

因为聚乙烯分子结构简单没有极性基团，也使其表面加工性能差，不易做染色及粘结处理，如需改善其表面加工性能，还需在其表面引入极性基团。

(一) 耐高能辐射性能

超高分子量聚乙烯纤维在受到高能辐射，如电子射线或射线的照射时，分子链会发生断裂，纤维强度会降低。有研究表明当吸收剂量达到1×102kJ/kg时，会对纤维的性能发生显著的影响。但当吸收剂量高达3×106kJ/k g时，纤维还可以保持可用的强度。在正常生产和储存期间无需对日照进行特殊防备。

(二) 耐化学性能

由于聚乙烯结构中不含有任何羟基，芳香环等能够易与接触物质发生反应的基团，而且经过超倍拉伸后，超高分子量聚乙烯纤维具有较为致密规整的内部结构，这些特点使超高分子量聚乙烯纤维非常耐受化学试剂的腐蚀，对于常见的酸碱腐蚀，耐受性明显高于同为高性能纤维的芳香族纤维。但受制于聚烯烃

结构的特点，超高分子量聚乙烯纤维对氧化较为敏感，在强氧化作用下，会很快的失去强力。但是在正常的空气环境中，纤维能够稳定的存在很多年。

(三) 耐疲劳性

在绳索应用领域，耐疲劳性是一项重要的质量指标。通常绳索使用的材料为涤纶和锦纶，与它们相比，超高分子量聚乙烯纤维不仅强度高、模量量，还有着良好的抗弯曲疲劳能力，具有长挠曲寿命，这与其低压缩屈服应力有关。因为聚乙烯的自润滑性，超高分子量聚乙烯纤维制成的绳索也具有很好的耐磨性能。

二超高分子量聚乙烯纤维的主要用途

(一) 绳缆

由于超高分子量聚乙烯纤维高强力，高模量，耐腐蚀，耐磨损，耐光照，柔韧性好，其用于制作绳索是一种非常优秀的材料。因为其密度为0.98g/cm3，能够漂浮在水上，在水中的自由断裂长度为无限长，因此尤其适用于海洋用绳。随着我国经济发展水平的提高，高性能船用绳缆必将逐步替代现有普通船缆。在

许多低温应用领域，如航天降落伞，飞机悬吊重物的绳索，高空气球的吊索等，超高分子量聚乙烯纤维绳缆也是首选。

(二) 安全防护

超高分子量聚乙烯纤维与树脂复合材料的抗冲击韧性非常好，具有较强的比冲击吸收能量，分别是E玻璃纤维复合材料、芳纶及碳纤维的 1.8倍、2.6倍及3倍[2]。因此该种复合材料在防冲击吸能领域具有非常好的应用。例如用于防弹的避弹衣、头盔、复合装甲等；用于安全生产的防切割手套，护具，防冲击板材等；用于高危环境下的防冲击护具，如警用防刺服，矿工防砸头盔等。随着世界热点地区的紧张局势加剧及该纤维生产成本下降，民问消费水平的提高，该纤维在防冲击吸能领域有着非常好的发展前景。

(三) 渔业

目前，合成纤维已成为制作渔网的最普遍的材料。在网线强度相同的条件下，用超高分子量聚乙烯纤维加工成的渔网比普通的纤维要轻至少40％，能够极大的提高捕捞作业的劳动效率，减少渔船能耗。超高分子量聚乙烯纤维用作深海养殖网箱，可以制作的无限大，良好的机械性能又能够很好的防治食肉鱼对经济鱼类的猎杀，有效地控制养殖成本及风险。(四) 休闲体育用品

由于超高分子量聚乙烯纤维复合材料比强度比模量高，韧性和损伤容限好，因此制成的运动器械重量轻且结实耐用。如今，超高分子量聚乙烯纤维被用作网球拍，滑雪板，冲浪板等体育用品的骨架材料，以其优良的性能，赢得了使用者的喜爱。

(五) 其他复合材料的应用

超高分子量聚乙烯纤维作为一种性能优异的材料，很多科研人员希望能够通过界面改性，合理结构与混杂形式的优化方面，研究开发新一代高性能复合材料，拓展其应用领域。一些相对比较成熟的研究成果给超高分子量聚乙烯纤维的应用提供了更多的可能。

1 航空航天结构材料