摘　要

　　介绍了超高分子量聚乙烯纤维的制备方法以及现在一般使用的工业化制造技术，并对工业化生产制造方法进行了对比分析，比较了其各自的优缺点；介绍了超高分子量聚乙烯纤维在缆绳、防弹等应用领域的的一些应用技术，对如何提高纤维的应用性能作了分析，提出了一些建议和措施；针对国产超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的制造及应用提出了一些需要进一步解决的问题和提高的方向。

关键词：超高分子量聚乙烯纤维；制造技术；应用技术

1　前　言

　　超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是以分子量在100万以上的聚乙烯通过纺丝和高倍牵伸而制成的纤维。超高的分子量、高度取向及高结晶度赐予纤维高强度和高模量的特性，
UHMWPE纤维也叫高强高模聚乙烯纤维。稳定、对称、惰性的非极性(―CH₂―)柔性结构赋予纤维极好的应用性能，UHMWPE纤维除具有高强度、高模量的特性之外，它还具有优良的耐气候、耐化学腐蚀、耐海水、耐冲击、耐疲劳、耐切割、耐低温陛能以及优良的绝缘性能、射线透过性能等特点。出色的性能使其在军警防护、航空航天、体育休闲、海洋工程、渔业养殖、捕鱼、生物医疗等领域得以广泛应用。UHMWPE纤维主要用于制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔、雷达防护罩、导弹罩、防弹装甲、舰艇及远洋船舶缆绳、轻质高压容器、航天航空结构件、深海抗风浪网箱、渔网、赛艇、帆船、滑雪橇，以及牙托材料、医用移植物等。

2　UHMWPE纤维的制备技术

2.1　基体树脂
　　UHMWPE纤维采用平均相对分子质量(分子量)在100万以上的聚乙烯作为基体树脂，为了保证纤维具有优良的综合性能，一般采用分子量在300～600万的聚乙烯作为基体材料，这种材料在熔融后分子链仍会高度缠结，粘度不会随着温度的提升和剪切的增强而明显下降，因此，无法采用常规的熔融纺丝法纺丝，这给UHMWPE纤维的制造带来很大的难度，也让UHMWPE纤维的成本大幅提高。
2.2　纤维制备方法
　　1970年以来，国际上先后出现了高压固态挤出法、增塑熔融纺丝法纺、表面结晶生长法、超拉伸或局部超拉伸法、凝胶纺丝．热拉伸法等几种UHMWPE纤维的制备技术。
　　一般认为，制造高强高模聚乙烯纤维的基本原理有两条。(1)分子量要尽可能提高，从而可以明显地减少由大分子末端造成纤维结构上的缺陷；(2)分子链要尽可能沿着纤维轴向伸直排列。
　　上述五种基本都遵循了这个基本原理，但是由于其方法本质上的区别，除凝胶纺丝-热拉伸法外，其它方法均不能获得满意的效果。凝胶纺丝一热拉伸法能在UHMWPE熔解的过程中让大分子链解缠，并在纺丝后的冻胶丝中保持解缠状态，溶剂脱除后，热拉伸过程中能让大分子链高度取向，终获得机械性能优良的纤维。因此，这一方法在后来的工业化制造中得以长足的发展和应用。
2.3　工业化制造方法
　　UHMWPE纤维工业化制造方法主要是延续和发展了凝胶纺丝．热拉伸法，采用此方法生
产的国外和国内各公司在多个方面对其进行了改进和完善，形成了各自具有知识产权的生产工艺，改进的方面主要为：溶剂和萃取剂的改变；溶胀工艺的改进；萃取工艺的改进等。但在总体上仍未摆脱凝胶纺丝．热拉伸这两大工艺过程。
　　目前工业化制造方法从纺丝方法上分为两种，一种为干纺工艺，另一种为湿纺(干喷湿纺)工艺，两种工艺采用的溶剂特性区别较大，因此，其溶剂脱除工艺完全不同，主工艺也有较大的区别。
2.3.1　干法纺丝工艺
　　干纺工艺采用的溶剂挥发速度很快，因此，采用直接干燥回收的脱除工艺方法。干纺工艺所用溶剂的易挥发性简化了主工艺，但是给回收系统带来了复杂性和技术难度。
　　图1是干纺的工艺流程：

2.3.2　湿法纺丝工艺
　　湿纺工艺采用的溶剂大多挥发性很小，甚至几乎没有挥发性，因此，必须采用易于挥发的萃取剂对溶剂进行萃取置换，再将萃取剂通过干燥脱除掉，湿纺工艺溶剂脱除工艺过程长而复杂，生产过程中会产生大量的萃取剂和溶剂的混合液，生产1吨纤维要产生10吨左右的混合液，这些混合液均需分离处理后方能重复再用，这就需要有庞大的分离处理系统，也会产生较高的回收处理费用；干燥过程排出的气体含有萃取剂，也必须回收处理，否则，不仅会增加生产成本，还会对大气造成一定的污染。
　　湿法纺丝根据其断点又可分为两种：一种为纺丝后络筒。另一种为干燥后络筒。表面上看仅仅是断点不同而已，但其本质上也存在着较大的区别。前者有利于减轻萃取工序的负担，有利于减少混合液的产生量，但由于冻胶丝刚纺出时很脆弱而在络筒和出筒时容易受到损伤；后者有利于纤维线密度的均匀性，避免了冻胶丝刚纺出时由于很脆弱而受到损伤，但由于萃取时冻胶丝中溶剂很多而给萃取工段带来比较大的负担。
　　图2是湿纺的工艺流程，表1为干湿法纺丝的优缺点对比。

2.4　新的制造方法
　　由于现在所采用的干纺和湿纺均存在工艺复杂、成本较高的问题，因此，人们仍然在寻求更加简单、成本也更低的制造方法。
　　目前比较多见的仍为熔融纺丝法，此方法直接，工艺简单，生产效率高，可大幅度降低纤维的生产成本，但直接用平均相对分子量在300～500万之间的聚乙烯进行熔融纺丝的仍未见报道，现大多采用对UHMWPE进行改性后再进行熔融纺丝的方法制备纤维，了般改性的方法有：增塑改性、共混改性、流变改性等。到目前为止，未见有与目前广泛使用的凝胶纺丝法质量等同的产品问世。

3　UHMWPE纤维的应用技术

　　UHMWPE纤维发展至今，应用领域已越来越广泛，其产品制造、应用形式也是多种多样，但归结起来不外乎以下几种应用形式。
3.1　吊装、拖拽等方面的应用
　　典型的应用形式为绳子、带子、网和线。绳子、带子、网和线这类产品是将UHMWPE纤维束丝通过合股、绞合、编织等工艺过程而制成的产品。用UHMWPE纤维制成的此类产品具有自重轻、耐光照、耐湿、耐腐蚀、耐磨以及比强度高等优点。绳、网、线主要被广泛应用于海洋工程以及渔业养殖和捕捞等领域；带子主要应用于重型吊装领域。UHMWPE纤维缆绳的应用，解决了以往使用钢缆遇到的锈蚀和尼龙、聚酯缆绳遇到的腐蚀、水解、紫外降解等引起缆绳强度降低和断裂，需经常进行更换的问题。
3.2　防护织造制品的应用
　　UHMWPE纤维的防护织物主要用于防切割、防刺、防链齿等领域，如手套、击剑套服、防护头盔等。防切割织物主要是针织品，先选择氨纶和UHMWPE纤维，再选择涤纶、锦纶、玻纤、钢丝等其中的一种或多种，然后进行一次包覆或二次包覆，不同防切割等级的产品，其包覆结构往往不同，用包覆好的纱线再经针织及后续处理后成为防切割产品。这些防切割产品主要应用于警用防切割手套以及机加工和伐木等工作者的劳动防护。防刺产品主要采用无纺布和机织布的形式，根据使用要求和需要，有些直接叠合使用，有些则制作成复合材料使用。UHMWPE纤维在防切割及防刺方面的出色表现正是发挥了UHMWPE的亚甲基柔软分子链的结构特点，这一特点其它纤维几乎无法比拟。
3.3　防弹UD复合材料的应用
　　将UHMWPE纤维通过集束、铺展、上胶、干燥／热压后就制成了UD(Uni-Directional)
布，再将UD布经[00／900]1或[00／900]2甚至其它角度的复合就制成了UD复合材料的基本单元层，这种基本单元层进行简单而直接的多层叠合就制成了软质防弹材料，多层叠合再经热压后就制成了硬质防弹材料。当然，不同的层数叠合会产生不同的防弹效果，因此，不同的防弹级别应通过试验确定相对应的层数。软质防弹材料主要应用于有柔软性要求的场所，如：防弹衣、防爆毯等；硬质防弹材料形式主要应用在防弹要求更高或有形状要求的场合，如：防弹头盔、防弹插板、防弹盾牌、防弹装甲板等等。

4　提高纤维应用性能的措施

4.1　合理的结构设计和工艺
　　在UHMWPE纤维的应用中，先要求UHMWPE纤维要有良好的机械性能，各项性能离散系数(CV％值)越小越好，过大的离散系数会使终产品中所有纤维束形成的合力下降，造成单纤维柬对性能的贡献度不同，从而影响产品性能。
　　优良的纤维如果没有合理的产品结构设计，仍然不能获得佳的效果。如在缆绳制造中不能保持一定的、均一恒定的束张力和股张力，则纤维强度保留率会有明显下降，过紧的绞合和过紧的编织均不利于终成品缆绳强度保留率的提高；在机织布和UD布的生产中，张力不均也会影响到产品的性能；机织布和UD布单元层面密度不同，在制成相同面密度的防护材料后，其防护性能也不同；硬质防护产品的压制温度尤为讲究，温度过高就会损伤纤维性能甚至使纤维产生熔化现象而严重影响产品质量，过低的压制温度会使层间接合不牢而使产品质量下降。
　　因此，UHMWPE纤维应用性能的高低不仅取决于纤维的性能，而且还取决于复合材料合理的结构设计和合理的加工工艺。
4.2　合理使用胶粘剂
　　UHMWPE纤维其分子链为非极性亚甲基结构，分子活性低，再加之高度取向形成的光滑表面让胶液难以浸润，这就使胶液与纤维很难有力粘接。因此，UHMWPE纤维复合材料的用胶选择就显得尤为重要，胶液品种繁多，为了获得优良的复合材料，必须选用适用于UHMWPE纤维的胶粘剂。
4.3　采用改性技术提高界面性能
　　尽管UHMWPE纤维具备许多优异的性能而产生上述广泛的用途，但由于UHMWPE纤维大分子由亚甲基基团组成，使得纤维表面不仅没有反应活性点，难以与树脂形成化学键结合，而且亚甲基的非常极性，加上高倍拉伸成型的高度结晶、高度取向的光滑表面，使其表面能极低，不易被树脂浸润，与树脂基体的粘接陛很差(例如：未处理的UHMWPE纤维在环氧树脂基体中的单丝拔出强度只有0.5MPa，影响了UHMWPE纤维复合材料的力学性能，尤其是层间剪切、横向拉伸张和断裂韧性等性能，限制了它作为结构材料方面的应用。
因此提高UHMWPE纤维的界面粘接性能成为该纤维作为复合材料生产过程中的要问题。
　　目前，国内外对UHMWPE纤维实施表面改性的方法很多，既有物理方法，也有化学方法，也可以是物理与化学相结合的方法。主要的表面改性方法有低温等离子体改性、辐照接枝改性、化学氧化法改性，以及压延法改性、涂层法、溶胀法改性等。
　　上海斯瑞聚合体科技有限公司联合东华大学、公安一所等单位和一些相关方面的专家，采用电子束辐照改性、600Coγ射线辐照改性、等离子体改性及化学氧化法改性对UHMWPE纤维及其复合材料进行了改性试验和研究，通过试验证明：采用电子束辐照和600Coγ射线辐照均不能在基本保持UHMWPE纤维机械性能的前提下使其交联而大幅度提高其耐热性能，只能控制在较小剂量下对UHMWPE纤维进行表面接枝改性，通过接枝改性给纤维表面引入极性基团，增强了纤维表面的极性，提高了纤维在胶液中的浸润性，从而增强了纤维与胶液之间的粘接性能。等离子体改性和化学氧化法改性对粘接性能均有不同程度的提高。电子束辐照和γ射线辐照以及等离子体刻蚀和化学氧化刻蚀均需保持适当的程度，否则，粘接性能虽有所提高，但材料机械性能会明显下降，终复合材料性能下降，得不偿失。

5　对国产纤维及复合材料的一点建议

5.1　纤维稳定性还有待提高
　　毫无疑问，纤维的机械性能对纤维后续的应用至关重要，但纤维性能的稳定性更为重要，如果纤维的线密度、断裂强度、模量及断裂伸长率CV值太大，会给后续产品的设计和生产带来不确定因素，造成后续产品性能不稳定。建议纤维生产厂家不仅要重视纤维的机械物理性能，还必须不断降低纤维性能的CV值。
5.2　复合技术有待提升
　　目前，国内尚没有专业的UD复合材料设备制造商，生产设备自动化程度有待提高，特别是在多层基本单元层的生产上更显不足。应以更大的力度对复合工装设备进行研究，以提升国产UHMWPE纤维复合材料的综合技术水平。
5.3　产品成本有待进一步降低
　　国产UHMWPE纤维的生产牵伸速度高高低低，参差不齐，但平均速度仍低于国际先进水平，速度的提升可有效降低纤维的生产成本。新型的生产工艺也应加大力度进行探索和研究，以期更大幅度地降低生产成本，扩大UHMWPE纤维的应用范围。
5.4　还需在环保方面有所提高
　　UHMWPE纤维的生产过程中均会用到挥发性比较强的物质，为了生产和生活环境，应尽量对有挥发物的生产设备进行封闭处理，应建立高效的回收再利用系统，以利于降低生产成本，减少资源浪费，保护我们的生存环境。