李建利,王海濤,趙領(lǐng)航,張　元

(陜西省紡織科學(xué)研究所，陜西西安 710038)

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超高分子量聚乙烯纖維的發(fā)展及需求應(yīng)用

李建利,王海濤,趙領(lǐng)航,張?jiān)?/p>

(陜西省紡織科學(xué)研究所，陜西西安 710038)

摘要：介紹了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維的國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展史、需求及應(yīng)用狀況，指出UHMWPE纖維產(chǎn)業(yè)受國(guó)家多個(gè)行業(yè)政策鼓勵(lì)及扶持，前景廣闊。

關(guān)鍵詞：UHMWPE纖維發(fā)展史需求應(yīng)用

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維，它與芳綸(對(duì)位芳綸p-PA、間位芳綸m-PA)、碳纖維(CF)并稱為當(dāng)今“世界三大高科技纖維”。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于防彈、防刺等輕質(zhì)高強(qiáng)類國(guó)防軍需裝備及航空航天、海洋產(chǎn)業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材、建筑加固等領(lǐng)域。

1UHMWPE纖維發(fā)展史

在20世紀(jì)70年代，英國(guó)利茲大學(xué)的Capaccio和Ward第一次成功研制出超高模量聚乙烯纖維(UHMWPE)。1975年，荷蘭帝斯曼(DSM)公司改進(jìn)技術(shù)，該公司的Smith和Lemstra發(fā)明了凝膠紡絲法，以十氫萘為溶劑成功制備出UHMWPE纖維，1979年申請(qǐng)了專利[1-4]。1985年，正式商業(yè)化生產(chǎn)。1990年，荷蘭DSM公司在Heerlen工廠成功實(shí)現(xiàn)了UHMWPE纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量5 kt/a，商品名“dyneema”。

1982年，美國(guó)聯(lián)信(Allied-Signal，1999年與美國(guó)霍尼韋爾公司合并，合并后稱Honeywell)公司購(gòu)買了荷蘭DSM公司的專利權(quán)，經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)，將DSM公司的溶劑十氫萘改為礦物油，在1983年取得了自行研發(fā)技術(shù)的美國(guó)專利，并在1984 年開始產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[5-9]。1988年實(shí)現(xiàn)了商品名“Spectra”的超高模量聚乙烯纖維的商業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量為3 kt。而且，美國(guó)Honeywell公司開發(fā)的UHMWPE纖維，其強(qiáng)度和模量均超過(guò)了DuPont公司的對(duì)位芳綸Kevlar。與荷蘭DSM公司的同類產(chǎn)品相比，美國(guó)Honeywell公司研發(fā)的纖維模量超過(guò)DSM公司纖維，但斷裂強(qiáng)度較差，也因此Honeywell研發(fā)的UHMWPE纖維在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)，首次成功研制出防彈衣和防彈頭盔用UHMWPE纖維無(wú)緯布，并在2001 年后不斷擴(kuò)大產(chǎn)能。

在亞洲，就在美國(guó)Honeywell公司開始UHMWPE纖維產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的同時(shí)，1984年荷蘭DSM公司與日本東洋紡(Toyobo)滋賀工廠合資建成600 t/a的中試裝備，于1989年在日本批量生產(chǎn)商品名為“DyneemaSK-60”的UHMWPE纖維。1983年，日本三井石化(Mitsui)公司以石蠟作溶劑通過(guò)凝膠擠壓—超拉伸技術(shù)成功研制商品名“Tekmilon”的UHMWPE纖維，1984年通過(guò)歐洲專利評(píng)審，1988年正式商業(yè)化生產(chǎn)。后來(lái)，荷蘭DSM公司除了與東洋紡在日本合資生產(chǎn)外，也在荷蘭本土和美國(guó)獨(dú)資建廠。

我國(guó)對(duì)UHMWPE纖維的研究與開發(fā)始于20 世紀(jì)80 年代初，中國(guó)紡織科學(xué)研究院、東華大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)、鹽城超強(qiáng)高分子材料工程技術(shù)研究所先后進(jìn)行了一系列技術(shù)突破，開發(fā)了高濃度原液紡絲技術(shù)，使我國(guó)成為世界上繼美國(guó)、荷蘭之后第三個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)UHMWPE纖維的國(guó)家[10-13]。1996年，寧波大成聯(lián)合科研院所開始對(duì)UHMWPE纖維的研發(fā)，1999年發(fā)明混合溶劑凝膠紡絲工藝，并申請(qǐng)專利，2000年在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，我國(guó)山東、廣東、浙江、湖南、北京等地都取得了階段性成果，近年來(lái)發(fā)展非常迅猛。

2國(guó)內(nèi)外需求

世界上工業(yè)化生產(chǎn)UHMWPE纖維的企業(yè)主要是荷蘭DSM、美國(guó)HONEYWELL和日本TOYOBO三大公司。隨著我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的取得，如今我國(guó)的UHMWPE纖維生產(chǎn)技術(shù)也快速提升。2011年，世界UHMWPE纖維的總產(chǎn)能29.2 kt/a，目前世界UHMWPE纖維總生產(chǎn)能力34.8 kt/a左右。盡管近年來(lái)UHMWPE纖維的產(chǎn)量增長(zhǎng)迅猛，但由于近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高科技纖維復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展的重視及其相關(guān)技術(shù)的快速提升，極大地推動(dòng)了UHMWPE纖維的應(yīng)用技術(shù)，全世界對(duì)UHMWPE纖維的需求呈現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)。

2.1國(guó)外

國(guó)外，據(jù)悉荷蘭、美國(guó)、日本3家UHMWPE纖維主要生產(chǎn)商年增長(zhǎng)率達(dá)15%，產(chǎn)品需求旺盛。目前，世界對(duì)UHMWPE纖維的總需求量約50 kt/a，其中美國(guó)約占70%，但目前全世界年產(chǎn)量?jī)H20 kt/a，處于供不應(yīng)求。未來(lái)5年和10年內(nèi)世界UHMWPE纖維的年需求量分別在6萬(wàn)t和10萬(wàn)t，市場(chǎng)潛力巨大。歐美在防彈衣和武器裝備的占用量60%～70%，繩纜占20%，漁網(wǎng)等占5%，勞動(dòng)防護(hù)占5%。日本主要用在繩纜、漁網(wǎng)、防護(hù)類制品，在汽車生產(chǎn)涂漆工序中的用量約25%。全世界對(duì)UHMWPE纖維的需求量逐年增加，2001年約1.8 kt，2003年約4.7 kt，2004年約6 kt，2005年約8 kt，2010年增長(zhǎng)到50 kt，預(yù)計(jì)2015年總需求量將達(dá)100 kt。據(jù)預(yù)測(cè)，今后5年世界對(duì)UHMWPE纖維需求年增長(zhǎng)率保持在30%，未來(lái)10年對(duì)UHMWPE纖維的年需求量將達(dá)300 kt左右，需求旺盛，行業(yè)長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求狀況。

2.2國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)，近年來(lái)UHMWPE纖維需求量持續(xù)增長(zhǎng)，2006年約8 kt，2010年約15 kt，2013年約18 kt，2015年預(yù)計(jì)將達(dá)20 kt，未來(lái)10年UHMWPE纖維的年需求量將達(dá)60 kt左右，市場(chǎng)缺口巨大。國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是繩索類產(chǎn)品，年需求量在6 kt以上；其次是防彈、防刺類產(chǎn)品，需求量巨大[14-15]。國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域需求情況大致為：海洋產(chǎn)業(yè)占30%，軍工占20%，安全防護(hù)產(chǎn)品占20%，外貿(mào)出口占20%，運(yùn)動(dòng)器械、建筑業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等占10%。此外，我國(guó)國(guó)防和武警裝備對(duì)防護(hù)用品的需求正處快速增長(zhǎng)期，將對(duì)UHMWPE纖維需求量很大。隨著我國(guó)UHMWPE纖維工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的成熟，成本和價(jià)格的下降，將促進(jìn)UHMWPE纖維在國(guó)內(nèi)國(guó)防和海洋產(chǎn)業(yè)、風(fēng)電葉片、勞動(dòng)防護(hù)類等民用領(lǐng)域的應(yīng)用。

3應(yīng)用領(lǐng)域

作為世界三大高性能纖維之一的UHMWPE纖維，比強(qiáng)度是優(yōu)質(zhì)鋼材的15倍，是碳纖維的2.6倍，是芳綸的1.7倍，是玻璃纖維和尼龍66的4倍。具有良好的耐化學(xué)性、耐海水腐蝕性、耐摩擦性、耐切割性、生物相容性等，廣泛應(yīng)用作防彈、防割、繩索、加固等材料[16-22]，主要用途有以下幾個(gè)方面。

3.1海洋產(chǎn)業(yè)

UHMWPE纖維具有高強(qiáng)高模、耐腐蝕、耐磨損、耐光照、柔韌性好的特征，是制造繩纜的優(yōu)秀材料。由于質(zhì)量輕，密度只有0.97 g/cm3，是高性能纖維中密度唯一小于1可漂浮于水上的纖維，用其制造的繩索可漂浮于水上；UHMWPE纖維繩索強(qiáng)度更高，在自重下的斷裂長(zhǎng)度是鋼繩的8倍，是芳綸繩的2倍；UHMWPE纖維耐光性好，在日光照射1500 h后強(qiáng)度仍能保持在80%以上，但芳綸經(jīng)日光照射后強(qiáng)度會(huì)急劇下降；UHMWPE纖維化學(xué)穩(wěn)定性好，在海水中能有效解決鋼繩的銹蝕問(wèn)題和尼龍、聚酯纜繩在海水中的水解和紫外降解問(wèn)題，因此，UHMWPE纖維繩索尤其適用于船只和海洋工程[23-24]。

另外，UHMWPE纖維制成的釣魚線，其高模高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)能傳遞深海幾百米深的魚上鉤的信息，特別是甩鉤使用的釣魚線比同類產(chǎn)品更細(xì)，空氣阻力小，拋投距離長(zhǎng)，深得用戶好評(píng)。UHMWPE纖維制成的漁網(wǎng)比相同強(qiáng)度下普通的纖維要輕至少40%，無(wú)吸水性、耐紫外線、強(qiáng)度高，網(wǎng)絲細(xì)，加工成養(yǎng)殖網(wǎng)箱固定性好，機(jī)械性能好，有效的防止了食肉魚對(duì)經(jīng)濟(jì)魚的獵殺，降低了養(yǎng)殖成本。用作拖網(wǎng)阻力小，減少漁船能耗，提高了捕撈效率。

利用UHMWPE纖維高強(qiáng)質(zhì)輕、柔韌、耐海水腐蝕和紫外降解的特性，被廣泛在海洋產(chǎn)業(yè)中多用作深?？癸L(fēng)浪網(wǎng)箱、自力繩索、重載繩索、救撈繩、拖拽繩、帆船索、船帆、漁具、超級(jí)油輪、海洋操作平臺(tái)、燈塔等固定錨繩等方面。目前，國(guó)內(nèi)外海事管理部門已經(jīng)相繼出臺(tái)相關(guān)政策，要求出海船只對(duì)重達(dá)100 kg的UHMWPE纖維繩纜至少配備一條，替代傳統(tǒng)鋼繩。據(jù)預(yù)測(cè)，UHMWPE纖維在海洋產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的年需求量在5000 t/a。

3.2安全防護(hù)

UHMWPE纖維復(fù)合材料的抗沖擊韌性好，有較強(qiáng)的比沖擊吸收能量，分別是玻璃纖維、芳綸、碳纖維復(fù)合材料的1.8倍、2.6倍、3倍，在防彈衣、頭盔、復(fù)合裝甲，防切割手套、護(hù)具、防沖擊板材，高危環(huán)境下的警用防刺服、礦工防砸頭盔類防沖擊護(hù)具等防沖擊吸能領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用[25-28]。

安全防護(hù)用品是目前UHMWPE纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域，單是用于生產(chǎn)防彈衣、防刺服、防彈板、防彈裝甲的核心材料的防滲透布(LID)的生產(chǎn)就占UHMWPE纖維總量的45%以上。除單向布外，還有非織造布、各種機(jī)織、針織材料也可用于防彈、防刺服的生產(chǎn)。據(jù)預(yù)測(cè)，在國(guó)防軍工和安全防護(hù)產(chǎn)品領(lǐng)域的年需求量在6000 t/a以上。

UHMWPE纖維防護(hù)用品與芳綸、碳纖維及陶瓷、鋼鐵、合金類防護(hù)用品相比，在保證防護(hù)性能的前提下，UHMWPE纖維制成的防護(hù)材料超輕且能很好的解決非貫穿性傷害。法國(guó)維和部隊(duì)配備的UHMWPE纖維制成的防彈衣和防彈插板全套重量不超過(guò)5 kg，完全能抵御北約5. 56 mm、俄制7. 62 mm突擊步槍普通彈的攻擊。此外，UHMWPE纖維的使用溫度低至-150 ℃，已超出地球的低溫極限，而芳綸在-30 ℃就會(huì)失去防彈性能，因此UHMWPE纖維產(chǎn)品還是高寒地區(qū)防護(hù)用品的首選。用UHMWPE纖維制作的防彈頭盔重量比傳統(tǒng)材料減輕300-400 g，僅是芳綸纖維頭盔重量的2/3，還比芳綸具有更好的防彈效果，深受歡迎。目前，世界上45%的UHMWPE纖維用于生產(chǎn)單向UD材料，由此達(dá)到質(zhì)輕、抵御子彈沖擊力，減少對(duì)人體傷害。在輕質(zhì)裝甲方面，UHMWPE纖維已用來(lái)制造軟質(zhì)防彈衣、硬質(zhì)防彈頭盔、運(yùn)鈔車車體、防彈橡膠增強(qiáng)材料、坦克裝甲、裝甲車裝甲、直升機(jī)防護(hù)裝甲、雷達(dá)防護(hù)外殼、導(dǎo)彈罩、防切割手套、防割套袖等。據(jù)報(bào)道，裝甲一輛坦克或裝甲車就需要UHMWPE纖維單向UD材料400 kg或更多，如果裝備一個(gè)師就要240 t。據(jù)預(yù)測(cè)，如果全國(guó)銀行系統(tǒng)保衛(wèi)人員全部裝備該產(chǎn)品，UHMWPE纖維需求量將超過(guò)1000 t。據(jù)報(bào)道，UHMWPE纖維制成的防割手套耐摩擦性能是棉紗手套的70倍以上，實(shí)際使用壽命是其6-10倍，而且舒適性高，彈性好，便于清洗。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)每年關(guān)于UHMWPE纖維在防切割手套行業(yè)的用量增長(zhǎng)迅速，從2011年的1200 t增長(zhǎng)到2014年的1860 t，UHMWPE纖維防切割手套的出口量也超過(guò)韓國(guó)，成為世界最大的UHMWPE纖維防切割手套出口國(guó)，出口占國(guó)內(nèi)加工量的95%以上。據(jù)預(yù)測(cè)，2015年國(guó)內(nèi)外UHMWPE纖維防切割手套纖維用量在3750 t，到2018年將達(dá)到5000t，在未來(lái)5年防切割手套的年增長(zhǎng)率將保持在10%以上。

3.3體育用品

UHMWPE纖維復(fù)合材料比強(qiáng)度比模量高，韌性和損傷容限比傳統(tǒng)材料好，其制作的運(yùn)動(dòng)器械質(zhì)輕且結(jié)實(shí)耐用，用UHMWPE纖維制作的網(wǎng)球拍、高爾夫球網(wǎng)、棒球網(wǎng)、滑雪板、沖浪板、擊劍服、賽艇、帆船、釣竿等體育用品，深得使用者的喜愛。據(jù)測(cè)算，該領(lǐng)域的年需求量在300 t/a。

3.4建筑加固

UHMWPE纖維與普通加固增強(qiáng)材料相比，具有較好的增稠效果，有效抑制了輕骨料的上浮，提高了輕骨料混凝土的均勻化。高強(qiáng)高模的UHMWPE纖維可協(xié)同輕骨料受拉、抑制裂紋的擴(kuò)展，有效提高了輕骨料混凝土的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)。摻混UHMWPE纖維的混凝土材料脆性低、韌性高，彎曲韌度系數(shù)是普通混凝土的14倍。常用作墻體、隔板結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)水泥復(fù)合材料、石棉水泥制品、建筑工程加固復(fù)合材料等[29-30]，該領(lǐng)域的年需求量在300 t/a左右。

3.5航空航天

UHMWPE纖維質(zhì)輕高強(qiáng)的特征，被應(yīng)用于各種飛機(jī)的翼尖結(jié)構(gòu)、飛船結(jié)構(gòu)、飛機(jī)駕駛艙內(nèi)壁、飛機(jī)座艙防彈門浮標(biāo)飛機(jī)和航天飛機(jī)的著陸用減速降落傘等，在該領(lǐng)域的年需求量在200 t/a左右。

3.6其它復(fù)合材料的應(yīng)用

UHMWPE纖維的生物相容性、耐久性、化學(xué)穩(wěn)定性好，不會(huì)引起人體的過(guò)敏反應(yīng)和生物排斥反應(yīng)，是制作牙科用絲線、醫(yī)用移植線、牙托材料、人造關(guān)節(jié)、人造韌帶、人造肢體等的優(yōu)良材料[31]，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的年需求量在100 t/a。

UHMWPE纖維介電常數(shù)、介電損耗值小，電信號(hào)失真小，透射系數(shù)高，用于雷達(dá)罩基材均高于現(xiàn)用玻璃纖維的各方面性能參數(shù)，是制作高性能輕質(zhì)雷達(dá)罩的首選材料[32]。

UHMWPE纖維高強(qiáng)高模的性質(zhì)及能耗的特點(diǎn)制成的高性能薄壁高壓容器[33]，耐化學(xué)腐蝕，強(qiáng)度好，能用于存儲(chǔ)較為廣泛的氣體或液體介質(zhì)。它的形狀轉(zhuǎn)化效率高達(dá)97%，耐壓容器性能系數(shù)比芳綸制品高45%。

雖然UHMWPE纖維比強(qiáng)度、比模量雖在所用纖維中無(wú)可比擬，但存在不易染色，耐熱性差，與樹脂粘結(jié)性差的缺陷，用途受限。常常需要對(duì)其采用液態(tài)氧化法、等離子體處理法、輻射接枝處理法、電暈放電處理法、光氧化表面處理法、光致交聯(lián)處理法等方法進(jìn)行表面改性[34]。

4展望

2007年，國(guó)家發(fā)改委《關(guān)于組織申報(bào)高性能纖維復(fù)合材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)的通知》(發(fā)改辦高技[2007]3177號(hào))，2010年10月《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定〔國(guó)發(fā)2010(32)號(hào)〕》，2011年3月《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》及2012年《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等文件，曾多次提出重點(diǎn)支持高性能碳纖維、芳綸、高強(qiáng)聚乙烯等纖維的研發(fā)及生產(chǎn)裝備建設(shè)，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)及尖端技術(shù)領(lǐng)域的需求。

由此可見，超高分子量聚乙烯纖維是符合國(guó)家及行業(yè)產(chǎn)業(yè)政策，是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的特種纖維之一，發(fā)展前景廣闊。

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Development, Demand and Application of UHMWPE Fiber

LIJian-li,WANGHai-tao,ZHAOLing-hang,ZHANGYuan

(Shaanxi Textile Science Institute, Xi’an 710038)

Abstract:The UHMWPE fiber industry development history at home and abroad, demand and application situation were introduced and the fact was pointed out that the UHMWPE fiber industry was encouraged and supported by several industries’ policies of the nation and had a broad prospect.

Key words:UHMWPE fiberdevelopment historydemandapplication

中圖分類號(hào)：TQ325.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)01-0141-04

收稿日期：2015-11-10

第一作者：李建利(1982-)，女，碩士，工程師，研究方向：高性能纖維產(chǎn)業(yè)用紡織品的開發(fā)。