摘　要

　　介紹了超高分子量聚乙烯纖維的制備方法以及現在一般使用的工業化制造技術，并對工業化生產制造方法進行了對比分析，比較了其各自的優缺點；介紹了超高分子量聚乙烯纖維在纜繩、防彈等應用領域的的一些應用技術，對如何提高纖維的應用性能作了分析，提出了一些建議和措施；針對國產超高分子量聚乙烯纖維及其復合材料的制造及應用提出了一些需要進一步解決的問題和提高的方向。

關鍵詞：超高分子量聚乙烯纖維；制造技術；應用技術

1　前　言

　　超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維是以分子量在100萬以上的聚乙烯通過紡絲和高倍牽伸而制成的纖維。超高的分子量、高度取向及高結晶度賜予纖維高強度和高模量的特性，
UHMWPE纖維也叫高強高模聚乙烯纖維。穩定、對稱、惰性的非極性(―CH₂―)柔性結構賦予纖維極好的應用性能，UHMWPE纖維除具有高強度、高模量的特性之外，它還具有優良的耐氣候、耐化學腐蝕、耐海水、耐沖擊、耐疲勞、耐切割、耐低溫陛能以及優良的絕緣性能、射線透過性能等特點。出色的性能使其在軍警防護、航空航天、體育休閑、海洋工程、漁業養殖、捕魚、生物醫療等領域得以廣泛應用。UHMWPE纖維主要用于制作軟質防彈服、防刺衣、輕質防彈頭盔、雷達防護罩、導彈罩、防彈裝甲、艦艇及遠洋船舶纜繩、輕質高壓容器、航天航空結構件、深?？癸L浪網箱、漁網、賽艇、帆船、滑雪橇，以及牙托材料、醫用移植物等。

2　UHMWPE纖維的制備技術

2.1　基體樹脂
　　UHMWPE纖維采用平均相對分子質量(分子量)在100萬以上的聚乙烯作為基體樹脂，為了保證纖維具有優良的綜合性能，一般采用分子量在300～600萬的聚乙烯作為基體材料，這種材料在熔融后分子鏈仍會高度纏結，粘度不會隨著溫度的提升和剪切的增強而明顯下降，因此，無法采用常規的熔融紡絲法紡絲，這給UHMWPE纖維的制造帶來很大的難度，也讓UHMWPE纖維的成本大幅提高。
2.2　纖維制備方法
　　1970年以來，國際上先后出現了高壓固態擠出法、增塑熔融紡絲法紡、表面結晶生長法、超拉伸或局部超拉伸法、凝膠紡絲．熱拉伸法等幾種UHMWPE纖維的制備技術。
　　一般認為，制造高強高模聚乙烯纖維的基本原理有兩條。(1)分子量要盡可能提高，從而可以明顯地減少由大分子末端造成纖維結構上的缺陷；(2)分子鏈要盡可能沿著纖維軸向伸直排列。
　　上述五種基本都遵循了這個基本原理，但是由于其方法本質上的區別，除凝膠紡絲-熱拉伸法外，其它方法均不能獲得滿意的效果。凝膠紡絲一熱拉伸法能在UHMWPE熔解的過程中讓大分子鏈解纏，并在紡絲后的凍膠絲中保持解纏狀態，溶劑脫除后，熱拉伸過程中能讓大分子鏈高度取向，終獲得機械性能優良的纖維。因此，這一方法在后來的工業化制造中得以長足的發展和應用。
2.3　工業化制造方法
　　UHMWPE纖維工業化制造方法主要是延續和發展了凝膠紡絲．熱拉伸法，采用此方法生
產的國外和國內各公司在多個方面對其進行了改進和完善，形成了各自具有知識產權的生產工藝，改進的方面主要為：溶劑和萃取劑的改變；溶脹工藝的改進；萃取工藝的改進等。但在總體上仍未擺脫凝膠紡絲．熱拉伸這兩大工藝過程。
　　目前工業化制造方法從紡絲方法上分為兩種，一種為干紡工藝，另一種為濕紡(干噴濕紡)工藝，兩種工藝采用的溶劑特性區別較大，因此，其溶劑脫除工藝完全不同，主工藝也有較大的區別。
2.3.1　干法紡絲工藝
　　干紡工藝采用的溶劑揮發速度很快，因此，采用直接干燥回收的脫除工藝方法。干紡工藝所用溶劑的易揮發性簡化了主工藝，但是給回收系統帶來了復雜性和技術難度。
　　圖1是干紡的工藝流程：

2.3.2　濕法紡絲工藝
　　濕紡工藝采用的溶劑大多揮發性很小，甚至幾乎沒有揮發性，因此，必須采用易于揮發的萃取劑對溶劑進行萃取置換，再將萃取劑通過干燥脫除掉，濕紡工藝溶劑脫除工藝過程長而復雜，生產過程中會產生大量的萃取劑和溶劑的混合液，生產1噸纖維要產生10噸左右的混合液，這些混合液均需分離處理后方能重復再用，這就需要有龐大的分離處理系統，也會產生較高的回收處理費用；干燥過程排出的氣體含有萃取劑，也必須回收處理，否則，不僅會增加生產成本，還會對大氣造成一定的污染。
　　濕法紡絲根據其斷點又可分為兩種：一種為紡絲后絡筒。另一種為干燥后絡筒。表面上看僅僅是斷點不同而已，但其本質上也存在著較大的區別。前者有利于減輕萃取工序的負擔，有利于減少混合液的產生量，但由于凍膠絲剛紡出時很脆弱而在絡筒和出筒時容易受到損傷；后者有利于纖維線密度的均勻性，避免了凍膠絲剛紡出時由于很脆弱而受到損傷，但由于萃取時凍膠絲中溶劑很多而給萃取工段帶來比較大的負擔。
　　圖2是濕紡的工藝流程，表1為干濕法紡絲的優缺點對比。

2.4　新的制造方法
　　由于現在所采用的干紡和濕紡均存在工藝復雜、成本較高的問題，因此，人們仍然在尋求更加簡單、成本也更低的制造方法。
　　目前比較多見的仍為熔融紡絲法，此方法直接，工藝簡單，生產效率高，可大幅度降低纖維的生產成本，但直接用平均相對分子量在300～500萬之間的聚乙烯進行熔融紡絲的仍未見報道，現大多采用對UHMWPE進行改性后再進行熔融紡絲的方法制備纖維，了般改性的方法有：增塑改性、共混改性、流變改性等。到目前為止，未見有與目前廣泛使用的凝膠紡絲法質量等同的產品問世。

3　UHMWPE纖維的應用技術

　　UHMWPE纖維發展至今，應用領域已越來越廣泛，其產品制造、應用形式也是多種多樣，但歸結起來不外乎以下幾種應用形式。
3.1　吊裝、拖拽等方面的應用
　　典型的應用形式為繩子、帶子、網和線。繩子、帶子、網和線這類產品是將UHMWPE纖維束絲通過合股、絞合、編織等工藝過程而制成的產品。用UHMWPE纖維制成的此類產品具有自重輕、耐光照、耐濕、耐腐蝕、耐磨以及比強度高等優點。繩、網、線主要被廣泛應用于海洋工程以及漁業養殖和捕撈等領域；帶子主要應用于重型吊裝領域。UHMWPE纖維纜繩的應用，解決了以往使用鋼纜遇到的銹蝕和尼龍、聚酯纜繩遇到的腐蝕、水解、紫外降解等引起纜繩強度降低和斷裂，需經常進行更換的問題。
3.2　防護織造制品的應用
　　UHMWPE纖維的防護織物主要用于防切割、防刺、防鏈齒等領域，如手套、擊劍套服、防護頭盔等。防切割織物主要是針織品，先選擇氨綸和UHMWPE纖維，再選擇滌綸、錦綸、玻纖、鋼絲等其中的一種或多種，然后進行一次包覆或二次包覆，不同防切割等級的產品，其包覆結構往往不同，用包覆好的紗線再經針織及后續處理后成為防切割產品。這些防切割產品主要應用于警用防切割手套以及機加工和伐木等工作者的勞動防護。防刺產品主要采用無紡布和機織布的形式，根據使用要求和需要，有些直接疊合使用，有些則制作成復合材料使用。UHMWPE纖維在防切割及防刺方面的出色表現正是發揮了UHMWPE的亞甲基柔軟分子鏈的結構特點，這一特點其它纖維幾乎無法比擬。
3.3　防彈UD復合材料的應用
　　將UHMWPE纖維通過集束、鋪展、上膠、干燥／熱壓后就制成了UD(Uni-Directional)
布，再將UD布經[00／900]1或[00／900]2甚至其它角度的復合就制成了UD復合材料的基本單元層，這種基本單元層進行簡單而直接的多層疊合就制成了軟質防彈材料，多層疊合再經熱壓后就制成了硬質防彈材料。當然，不同的層數疊合會產生不同的防彈效果，因此，不同的防彈級別應通過試驗確定相對應的層數。軟質防彈材料主要應用于有柔軟性要求的場所，如：防彈衣、防爆毯等；硬質防彈材料形式主要應用在防彈要求更高或有形狀要求的場合，如：防彈頭盔、防彈插板、防彈盾牌、防彈裝甲板等等。

4　提高纖維應用性能的措施

4.1　合理的結構設計和工藝
　　在UHMWPE纖維的應用中，先要求UHMWPE纖維要有良好的機械性能，各項性能離散系數(CV％值)越小越好，過大的離散系數會使終產品中所有纖維束形成的合力下降，造成單纖維柬對性能的貢獻度不同，從而影響產品性能。
　　優良的纖維如果沒有合理的產品結構設計，仍然不能獲得佳的效果。如在纜繩制造中不能保持一定的、均一恒定的束張力和股張力，則纖維強度保留率會有明顯下降，過緊的絞合和過緊的編織均不利于終成品纜繩強度保留率的提高；在機織布和UD布的生產中，張力不均也會影響到產品的性能；機織布和UD布單元層面密度不同，在制成相同面密度的防護材料后，其防護性能也不同；硬質防護產品的壓制溫度尤為講究，溫度過高就會損傷纖維性能甚至使纖維產生熔化現象而嚴重影響產品質量，過低的壓制溫度會使層間接合不牢而使產品質量下降。
　　因此，UHMWPE纖維應用性能的高低不僅取決于纖維的性能，而且還取決于復合材料合理的結構設計和合理的加工工藝。
4.2　合理使用膠粘劑
　　UHMWPE纖維其分子鏈為非極性亞甲基結構，分子活性低，再加之高度取向形成的光滑表面讓膠液難以浸潤，這就使膠液與纖維很難有力粘接。因此，UHMWPE纖維復合材料的用膠選擇就顯得尤為重要，膠液品種繁多，為了獲得優良的復合材料，必須選用適用于UHMWPE纖維的膠粘劑。
4.3　采用改性技術提高界面性能
　　盡管UHMWPE纖維具備許多優異的性能而產生上述廣泛的用途，但由于UHMWPE纖維大分子由亞甲基基團組成，使得纖維表面不僅沒有反應活性點，難以與樹脂形成化學鍵結合，而且亞甲基的非常極性，加上高倍拉伸成型的高度結晶、高度取向的光滑表面，使其表面能極低，不易被樹脂浸潤，與樹脂基體的粘接陛很差(例如：未處理的UHMWPE纖維在環氧樹脂基體中的單絲拔出強度只有0.5MPa，影響了UHMWPE纖維復合材料的力學性能，尤其是層間剪切、橫向拉伸張和斷裂韌性等性能，限制了它作為結構材料方面的應用。
因此提高UHMWPE纖維的界面粘接性能成為該纖維作為復合材料生產過程中的要問題。
　　目前，國內外對UHMWPE纖維實施表面改性的方法很多，既有物理方法，也有化學方法，也可以是物理與化學相結合的方法。主要的表面改性方法有低溫等離子體改性、輻照接枝改性、化學氧化法改性，以及壓延法改性、涂層法、溶脹法改性等。
　　上海斯瑞聚合體科技有限公司聯合東華大學、公安一所等單位和一些相關方面的專家，采用電子束輻照改性、600Coγ射線輻照改性、等離子體改性及化學氧化法改性對UHMWPE纖維及其復合材料進行了改性試驗和研究，通過試驗證明：采用電子束輻照和600Coγ射線輻照均不能在基本保持UHMWPE纖維機械性能的前提下使其交聯而大幅度提高其耐熱性能，只能控制在較小劑量下對UHMWPE纖維進行表面接枝改性，通過接枝改性給纖維表面引入極性基團，增強了纖維表面的極性，提高了纖維在膠液中的浸潤性，從而增強了纖維與膠液之間的粘接性能。等離子體改性和化學氧化法改性對粘接性能均有不同程度的提高。電子束輻照和γ射線輻照以及等離子體刻蝕和化學氧化刻蝕均需保持適當的程度，否則，粘接性能雖有所提高，但材料機械性能會明顯下降，終復合材料性能下降，得不償失。

5　對國產纖維及復合材料的一點建議

5.1　纖維穩定性還有待提高
　　毫無疑問，纖維的機械性能對纖維后續的應用至關重要，但纖維性能的穩定性更為重要，如果纖維的線密度、斷裂強度、模量及斷裂伸長率CV值太大，會給后續產品的設計和生產帶來不確定因素，造成后續產品性能不穩定。建議纖維生產廠家不僅要重視纖維的機械物理性能，還必須不斷降低纖維性能的CV值。
5.2　復合技術有待提升
　　目前，國內尚沒有專業的UD復合材料設備制造商，生產設備自動化程度有待提高，特別是在多層基本單元層的生產上更顯不足。應以更大的力度對復合工裝設備進行研究，以提升國產UHMWPE纖維復合材料的綜合技術水平。
5.3　產品成本有待進一步降低
　　國產UHMWPE纖維的生產牽伸速度高高低低，參差不齊，但平均速度仍低于國際先進水平，速度的提升可有效降低纖維的生產成本。新型的生產工藝也應加大力度進行探索和研究，以期更大幅度地降低生產成本，擴大UHMWPE纖維的應用范圍。
5.4　還需在環保方面有所提高
　　UHMWPE纖維的生產過程中均會用到揮發性比較強的物質，為了生產和生活環境，應盡量對有揮發物的生產設備進行封閉處理，應建立高效的回收再利用系統，以利于降低生產成本，減少資源浪費，保護我們的生存環境。