超高分子量聚乙烯纤维性能及生产现状_李建利
针织原料
2016年第6期
超高分子量聚乙烯纤维性能及生产现状
李建利，张新元，贾哲昆，赵领航，王建新
（陕西省纺织科学研究所，陕西西安710038
）
摘要：介绍超高分子量聚乙烯纤维的产品性能，并与芳纶、碳纤维进行性能对比。结合国内外研究现状，详细阐述超高分子量聚乙烯纤维的生产工艺，主要包括熔融纺丝、干法凝胶纺丝和湿法凝胶纺丝工艺。并分析国内外产能状况，包括荷兰帝斯曼、美国霍尼韦尔、日本东洋纺和国内部分公司，通过对比分析国内外企业特点，指出国内超高分子量聚乙烯纤维发展迅猛，但存在质量参差不齐、产能较低、应用开发水平低等问题，提出应加大工艺技术的开发与研究，并对市场前景进行展望。
关键词：超高分子量聚乙烯纤维；纤维性能；生产工艺；凝胶纺丝法；产能中图分类号：TS182+.9
文献标志码：B
文章编号：1000-4033（2016）06-0021-05
ＰｒｏｐｅｒｔｙａｎｄＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳｉｔｕａｔｉｏｎｏｆＵＭＷＰＥＦｉｂｅｒ
LiJianli，ZhangXinyuan，JiaZhekun，ZhaoLinghang，WangJianxin
（ShaanxiTextileScienceInstitute，Xi’an，Shaanxi710038，China）
Abstract：ThepaperintroducestheUHMWPEfiberproperty,andcomparedwitharamidfiberandcarbonfiber.Combinedwiththepresentsituationsofboththedomesticandforeignresearch，itintroducesindetailtheproduc-tiontechnologyofUHMWPEfiber，includingmeltspinning,dryspinningandwetgelspinningprocess.Inaddition,theproductionsituationsareanalyzedinbothdomesticandoverseasindustries，includingDSM,Honeywell，Toyoboandsomedomesticcompanies.Bycomparingthecharacteristicsoftheenterprisesindomesticandoverseas，itpointsoutthatthefastdevelopmentofUHMWPEfiberindomesticisveryfast，butthequalityisunevenwithlowcapacity，lowlevelofapplicationdevelopment，thenitsuggestsonstrengtheningtechnologyresearchanddevelop-mentduetothegoodprospectofthemarket.
Keywords：UHMWPEFiber；FiberProperty；ProductionProcess；GelSpinningMethod；Capacity
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维与芳纶、碳纤维称为世界三大高科技纤维，其产品广泛应用于防弹、防刺等轻质高强类国防军需装备，以及航空航天、海洋产业、运动器材、建筑加固等领域。
其具有亚甲基相连（—CH2—CH2—）的超分子链结构，没有侧基，结构对称、规整，单键内旋转位垒低，柔性好。相关研究表明，在－150℃的环境，该纤维仍保持良好的耐挠曲性，无脆化点［1］。由于UHMWPE纤维规整的大分子链结构，使纤维沿轴向取向度高、结晶度高，因此具有优良的力学性能。UHMWPE纤维模量较高，具有突出的抗冲击性和抗切割性能，抗拉强度是相同线密度钢丝的15倍，比芳纶高40％，是普
通纤维和优质钢纤维的10倍，仅次于特级碳纤维。由于UHMWPE纤维的分子结构—CH2—CH2—不含有易与接触物质发生反应的羟基、芳香环等基团，因此具有化学和光学惰性。研究表明，强酸、强碱及有机溶剂均对UHMWPE纤维强度没有影响，其化学稳定性较好；在经
1UHMWPE纤维1．1
性能概述
UHMWPE纤维质量轻，在几种高性能纤维中密度较小，是唯一能够漂浮在水面上的高科技纤维。
1500h日晒后，纤维强度仍高达80％，耐候性、耐紫外性能均较优越［2－9］，该纤维还具有良好的耐磨性与生物共存性。由于UHMWPE纤
UHMWPE纤维的优越性能是由于
作者简介：李建利（1982—），女，工程师，硕士。主要从事高性能纤维及产业用纺织品的开发。
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维的独特性能，在安全防护、航空航天、国防装备、造船业等领域发挥作用，并广泛用于防弹、绳缆、高压容器、船舶及飞机骨架结构、运动器械、人造器官等材料。
等。研究表明，制备UHMWPE纤维的关键是提高拉伸倍数，有助于提高纤维结晶度与取向度，使呈折叠链的片晶结构向伸直链转化，从而改善纤维的强度和模量［11-12］。
目前，熔融纺丝和凝胶纺丝（又称冻胶纺丝法）是UHMWPE纤维工业化生产的主要方法，20世纪
针织原料
UHMWPE纤维凝胶纺丝工艺主要有两大类：一类是干法路线，即高挥发性溶剂干法凝胶纺丝工艺路线；另一类是湿法路线，即低挥发性溶剂湿法凝胶纺丝工艺路线。干、湿法纺丝工艺对比见表2。
溶剂和后续工艺是两种工艺路线的最大区别，由于两类溶剂特性区别大，从而使后续溶剂脱除工艺也完全不同，各有优势。
UHMWPE纤维的分子链结构单一，因此该纤维耐蠕变性差，在长时间受外力作用时，分子链之间易滑移，产生蠕变。此外，该纤维还具有表面加工困难、不易染色、不易与其他材料黏接等不足。
80年代后期，美国塞拉尼斯（Hoec-hst-Celanese）公司取得UHMWPE纤维熔融纺丝－高倍热拉伸技术的成功，商品名为Certran；意大利苏尼亚（Snia）公司也开发了类似纤维；但熔融纺丝法制得的纤维性能比凝胶纺丝法制得的纤维性能差，因此未得到更大发展［13－17］。目前，
2．1干法路线
以荷兰帝斯曼公司为代表，使
1．2与其他纤维性能比较
UHMWPE纤维及其他几种高性能纤维的主要性能指标见表1。
由表1可知，UHMWPE纤维强度和模量较高，仅次于碳纤维；断裂伸长率比碳纤维、对位芳纶高，柔韧性好；在高应变率和低温下仍具有良好的力学性能；抗冲击能力优于碳纤维、芳纶及一般玻璃纤维，是一种理想的防弹、防刺安全防护材料；其复合材料的比冲击总吸收能量是碳纤维的1．8倍、芳纶的2．6倍、E玻璃纤维的3.0倍；其复合材料的防弹能力是芳纶装甲结构的
用高挥发性十氢萘作为溶剂，形成稀溶液或悬浮液（质量分数小于
10％），通过喷丝板挤出,经烟道冷却，十氢萘汽化，得到干态凝胶原丝，再经高倍拉伸得到
UHMWPE纤维。其中十氢萘溶剂对聚乙烯溶
解效果好、易挥发，纺丝过程无须连续多级萃取和热空气干燥，生产效率高，操作条件温和，溶剂十氢萘能直接回收，易达到环保要求。
UHMWPE纤维较成功的工业化生产方法是凝胶纺丝－高倍热拉伸工艺，主要生产商为荷兰帝斯曼（DSM）、美国霍尼韦尔（Honeywell）、日本三井物产（Mitsui）和我国公司。
对于凝胶纺丝法，近年来国内外许多公司从溶剂、萃取剂、溶胀工艺、萃取工艺等方面进行改进，形成具有知识产权的生产工艺。
表1
性能指标
2.2湿法路线
以美国霍尼韦尔公司为代表，
将UHMWPE树脂在矿物油类低挥
断裂伸长率/%
3．6倍，防弹头盔是相同效果的UHMWPE纤维头盔质量的2/3。
但是，UHMWPE纤维存在一个较明显的缺点，即不耐高温，这是由于UHMWPE纤维分子链无侧基，分子链间作用力以范德华力为主，流动活化能小、熔点低、小于
几种高性能纤维的主要性能指标
模量/GPa
分解温度/℃使用温度/℃
密度/（g·cm-3）强度/GPa
UHMWPE
CFp-PAm-PAE-玻璃纤维
0.971.801.441.382.54
2.60～3.802.70～3.300.55～0.663.45
87.0～172.070.0～120.013.8～16.673.0
3.50.5～1.42.420.0～22.04.5
[1**********]30—
﹤90
3.50～7.00230.0～460.[1**********]—
160℃。另外，抗压缩和抗蠕变性能也较差，树脂浸润性较差，可燃性较好，从而限制了UHMWPE纤维的使用范围［10］。
注：CF为碳纤维；p-PA为对位芳纶；m-PA为间位芳纶。
表2
干、湿法纺丝工艺对比
2生产工艺
自20世纪70年代以来，国外
许多企业、研究机构和专家探索出多种生产UHMWPE纤维的技术路线，主要包括：熔融纺丝－高倍热拉伸法、凝胶纺丝－高倍热拉伸法、表面结晶生长法、Porter固体挤出法
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发性溶剂中溶解或溶胀，用双螺杆挤出机混炼、脱泡，经计量泵挤出，进入水浴（或水与乙二醇等混合浴）凝固得到含低挥发性溶剂的湿态凝胶原丝，再用高挥发性萃取剂连续多级萃取，置换出原丝中的低挥发性溶剂，得到干态凝胶原丝，经高倍拉伸制得高性能UHMWPE纤维。该路线要收集萃取剂、溶剂和水等混合物，通过精馏装置分离回收；溶剂矿物油一般采用高沸点的白油、石蜡油、煤油等，溶剂来源多、价格低；萃取剂采用低沸点物，如氟利昂、二甲苯、汽油、丙酮、三氯三氟乙烷等。该工艺耗用大量萃取剂，经历多道萃取、干燥和大量混合试剂的精馏分离，耗能多，流程较长，成本较高。目前挥发性和萃取性最好的萃取剂是氟利昂，但不符合环保要求，发展受限。
两种路线相比，干法路线纺丝速度远高于湿法路线，纺丝流程相对简单，过程较稳定，产品具有强力高、抗蠕变性能好、产品中溶剂含量少等优点，多用于高端产品，因此干法凝胶纺丝工艺已成为
倍拉伸工艺制得UHMWPE纤维，并建成单线年产250t的生产线，该工艺有效改善对纺丝过程相对分子质量降低严重和螺杆效率低的问题，弥补了现有技术毒性较大、污染环境、生产成本高的不足。宁波大成发明了混合溶剂的凝胶纺丝技术［8］，以分子量高达400万以上的聚乙烯为原料，制备高浓度纺丝原液，采用双螺杆挤压均化技术，多辊多组超倍牵伸技术，确保了UHMWPE纤维拉伸倍数超过
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凝胶纺丝方法成功制取商品名为
DyneemaR的UHMWPE纤维，在荷兰海尔伦（Heerlen）地区建成5条
UHMWPE纤维生产线和1条单向预浸料UD生产线，成为世界首家工业化规模生产UHMWPE纤维的企业［20－25］。2004年5月，该公司在美国北卡罗莱纳州的格林维尔（Gree-
nville）新建1条DyneemaR纤维生产线及2条UD防弹材料生产线，纤维生产能力扩大40％，达4．5kt/a，
UD材料生产能力达2.0kt/a。2006年4月，荷兰帝斯曼公司第3次扩产美国北卡Dyneema
R
45倍、直径偏差率低于5％，使用宁波大成的UHMWPE纤维制成的防弹衣指标已达到国际先进水平。
纤维生产
线，该公司生产线达9条，其中4条位于格林维尔，因此荷兰帝斯曼的DyneemaR纤维生产量提高18％，达4．7kt/a，UD材料生产量提高
2009年11月，仪征化纤与南化集团、中国纺织科学研究院联合开发了产能300t/a的UHMWPE纤维干法纺丝成套技术，填补了国内
25％，达2．5kt/a。2006年9月，该公司再次投资美国北卡工厂，2008年投产，目前该公司Dyneema产Dyneema
R
R
UHMWPE纤维干法生产工艺的空白
［17］
。但与荷兰DSM公司等世界
纤
先进的UHMWPE纤维厂商技术比较，我国的干法纺丝技术和产品质量还存在一定差距，表现在单线产能、产品强度和均匀性等方面。
维生产线达10条，成为世界上生
品牌UHMWPE纤维
的最大厂商，产能达6.0kt/a。
美国霍尼韦尔公司购买荷兰帝斯曼公司专利后，经技术改进在新泽西州莫里斯建立产能为590.0
3国内外生产情况
世界上工业化生产UHMWPE
UHMWPE纤维的主要生产技术。
目前，国内以石蜡油为溶剂的湿法路线较成熟，国外以十氢萘为溶剂的工艺仍涉及侵权问题，而以石蜡油为溶剂的工艺又在工艺实施方式和设备配置方面有所区分，因此设备投资差距也较大。常熟绣珀纤维有限公司［9］将凝胶原丝依次经萃取、干燥、热拉伸过程，生产的
纤维的企业主要是荷兰帝斯曼、美国霍尼韦尔和日本东洋纺（Toy-
t/a品名为SpectraR的UHMWPE纤维生产线，产品特色是模量极高。随后又在弗吉尼亚扩能，到2009年，美国霍尼韦尔公司的UHMWPE纤维产能为1.0kt/a，2010年达3.0kt/a［9］。
obo）3大公司
［18］
。随着我国取得自
主知识产权，UHMWPE纤维生产技术快速提升。2011年，世界
UHMWPE纤维的总产能29．2kt/a，其中荷兰帝斯曼和美国霍尼韦尔公司共占42％；我国产能近17.0
1984年，日本东洋纺公司与荷兰帝斯曼公司合资建成产能为600.0
t/a商品名为DyneemaSK－60
R
的
UHMWPE纤维纤度低、抗断裂强度高、生产成本低，于2010年获得国家专利。东华大学开发了高浓度原液纺丝技术［9］，将聚乙烯原料和溶剂与抗氧剂混合加热形成凝胶块，经粉碎、去溶剂得到聚乙烯纺丝原料，经过螺杆熔融挤出纺丝，预拉伸卷绕，再经萃取、干燥、热超
kt/a，占总产能的58％
［19］
。目前，世
UHMWPE纤维中试装置［12］。2008年1月，该公司将生产能力扩大至1．6
界UHMWPE纤维总生产能力34．8
kt/a左右，其中荷兰约6.0kt/a，美国约3.0kt/a，日本约3．2kt/a，中国约
kt/a，由于市场需求仍持续增长，产品供不应求。2008年7月，再次扩产，在日本福井市工厂新增2条
21．6kt/a，我国产能已占世界总产能的62％。
Dyneema
R
纤维生产线，2010年正
R
3．1国外
式投产，使合资公司的Dyneema
1979年荷兰帝斯曼公司通过
总产能达3．2kt/a。此外，
日本三井
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石化公司商品名为Tekmilon
R
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表3
的
国外UHMWPE纤维主要生产企业生产的纤维性能
UHMWPE纤维产能约为2．5kt/a，日本帝人（Teijin）公司商品名为En-
dumaxR约为1.0kt/a。
目前，国外UHMWPE纤维总生产能力约12．2kt/a，主要生产企业部分商品情况见表3、表4。
表4
国外UHMWPE纤维主要生产企业生产情况
3．2国内
由于国外技术垄断，国内研发
进程缓慢［26］。1985年，东华大学率先研究UHMWPE纤维，1999年突破关键性技术，并与湖南中泰特种装备有限公司建成一条100.0t/a生产线，2000年扩产为200.0t/a，
2010年又扩产为5000.0t/a。2006年国内总产量约1.0kt/a，2008年国内总产量约4．2kt/a（产能约6.0
表5
厂商北京同益中
2015年国内主要的UHMWPE纤维厂商产能估计
备注
北京工厂以88.89tex（800D）以下细旦为主，无锡工厂以粗旦为主
产能/（kt··a-1）产量/（kta-1）生产路线
kt/a）。据不完全统计，2010年我国UHMWPE纤维生产企业发展至20家左右，总生产能力达17.0kt/a；目前，国内UHMWPE纤维生产企业已发展至30余家［27－31］，总生产能力约21．6kt/a。主要生产企业有山东爱地高分子材料有限公司、上海斯瑞聚合体科技有限公司、中国石化南化集团、湖南中泰特种装备有限公司、宁波大成新材料股份有限公司等。宁波大成是我国最早采用湿法路线生产UHMWPE纤维的企业，生产能力约1．8kt/a；山东爱地已建成8条生产线，总生产能力达
0.8
2.01.85.03.01.0
0.81.20.80.60.60.3
3.00.60.83.2
0.30.30.30.1
2.00.60.6
23.6
0.31.28.10.5
湿法
湖南中泰宁波大成山东爱地上海斯瑞石化仪征北京威亚南化集团青岛信泰浙江翔盛剑乔科技江苏山东翔宇常熟秀珀连云港奥神淮安高鸿宁波荣溢湖州高盛浙江金昊其他合计
湿法湿法湿法
2000年，填补我国连续式宽幅UD材料空白；2010年将扩产至5kt/a
8条生产线，未满负荷生产以防弹材料为主，未满负荷生产
干法湿法干法
2011年1kt/a干法线投产，另2kt/a
项目在建
手套用纤维为主
10条生产线
5.0kt/a，仅次于荷兰帝斯曼公司，是世界第二大UHMWPE纤维生产企业。2015年国内UHMWPE纤维厂商情况见表5。国内产能在1.0
湿法湿法湿法
kt/a以下的企业居多，30多家生产企业中年产千吨级企业仅8家，国内总产能23．6kt/a，但年产量不足
10.0kt/a。显然，国内生产供不应求，国内需要的高端产品依然依赖进口。
我国UHMWPE纤维生产能力不断进步，生产技术也不断突破。
中国石化仪征、南化集团与中国纺织科学研究院联合开发的300t/a
曼公司SK75产品水平［30］。未来将建成3kt/a纳米碳增强UHMWPE纤维，在一定程度上改善原纤维的耐热性、抗蠕变性和界面性能。
尽管我国UHMWPE纤维生产
UHMWPE纤维干法纺丝工业化成套技术，填补了我国干法纺丝的技术空白，产品质量已接近荷兰帝斯
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技术与产能逐年提升，但与国外发达国家生产企业仍存在一定差距，国内外UHMWPE纤维生产企业特点对比见表6。
国外项目
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表6
国内外UHMWPE纤维生产企业特点对比
生产企业特点
生产高度集中
：专利保护，扩产只限原有企业，利于国家支持及企业良性发展，避免无序竞争；
技术实力雄厚：均是跨国大公司，重视研发，近10年产品强度提高50%，产品应用开发进步较大，防弹防割产品国内外档次差异明显。
发展迅猛，有些盲目：2007年前，仅3家企业，产能1kt/a；2007年后，近30家企业，产能近21kt/a；个别企业盲目上马，因质量低、竞争大导致停产；
质量提升快，参差不齐：2008年后，产品性能已接近DSMSK75水平，投资企业分
国内
散，生产实力和管理水平差异大，质量差异大，不稳定，竞争力低；
产能较低，开工不足：满负荷生产企业少，产能1kt/a以上企业少，小企业众多，市场混乱，从2012年产能和实际市场投放量看，实际开工率不足60%，产能浪费大；应用开发水平较低，投入不足：小企业没能力进行应用开发，应用也是局限于绳缆、防割、防弹领域；需根据应用领域对专用料细分开发，针对性地提高性能。
4结束语
UHMWPE纤维是我国具有国际竞争力的高性能纤维，加大国产化工艺技术的开发和研究，对于打破国外技术垄断，促进和引导我国纺织工业结构调整，提高产品附加值有重要意义。UHMWPE纤维复合材料在国内安全防护和绳索领域的应用技术相对较成熟，随着应用技术的提升，应加大该纤维在民用领域的研发投入，提高产品质量，促进国内市场的消化能力，避免低价竞争。
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收稿日期
2015年11月2日
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