超高分子量聚乙烯.ppt

超高分子量聚乙烯纤维的制备原理,研发部：王景景 2012年5月28日,杭州翔盛高翔纤维材料股份有限公司 PE工艺技术高级互动培训 之,主要内容,1.超高分子量聚乙烯概述,1.1 聚乙烯分类 聚乙烯是由乙烯基单体自由基聚合而成的聚合物，分子的结构单元为：,聚乙烯结构特点： 聚乙烯为线性聚合物，-C-C-链为柔性长链，为热塑性聚合物； 分子对称，无极性基团存在，分子间作用力较小； 聚乙烯分子链空间排列呈平面锯齿形，键角为109.3； 分子链良好的柔顺性和规整性，似的聚乙烯的分子链可以反复折叠并整齐堆砌排列形成结晶。,聚乙烯按照密度可分为：,1.超高分子量聚乙烯概述,1.超高分子量聚乙烯概述,20 世纪30 年代，Staudinger 教授提出了高强高模高分子必须具备的结构模型，指出其大分子必须完美择优取向和结晶。,1936 年，Boer 在Faraday 学会研讨会上，提出如果由主价键计算完美取向和结晶高分子材料的话，主链方向杨氏模量可达11000kg/cm2，而由范德华力控制的话只有450kg/cm2。这种结构模型只有在二种极端情况下才能实现，即刚性的分子和非常柔性的分子。,1.超高分子量聚乙烯概述,1.2 超高分子量聚乙烯,分子量为80万500万的聚乙烯称为超高分子量聚乙烯，分子量是超高分子量纤维力学性能的基础，分子量越高，端基浓度越小，增加了大分子链间的相互作用力，受外力时大分子链间的缠结点与吸引点相互作用，达到分散作用力的目的。,n 1.791051.96105,分子量不同赋予聚乙烯不同的性能，分子量越高，拉伸强度、表面硬度、耐磨性、耐蠕变、耐老化和耐溶剂性提高，断裂伸长率降低。,1.超高分子量聚乙烯概述,1.3 超高分子量聚乙烯纤维的发展,帝斯曼公司生产规模图,20C90S,2008,2010,2012,4500吨,6000吨,？,20C70S,利兹大学研制出分子量10万的UHMWPE,荷兰DSM公司十氢萘溶剂凝胶纺丝法，申请专利,1990年实现工业化生产,联合日本东洋纺织Dyneema SK-60,20C80S,中国开始理论研究,已产业化,600吨,1.溶解UHMWPE于适当的溶剂中，制成半稀溶液； 2.经喷丝孔挤出，以空气或水骤冷纺丝溶液，将其凝固成冻胶原丝，形成折叠链片晶； 3.通过萃取、超倍热拉伸大分子链充分取向和高度结晶，折叠链的大分子转变为伸直链结构。,冻胶纺丝法,2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理,1.将UHMWPE溶解于适当的溶剂中形成半稀溶液，减小分子链之间的缠结； 2.喷丝孔挤出后在空气或水中冷却凝固成凝胶原丝。保存大分子的解缠状态； 3.通过超倍热延伸凝胶原丝大分子链充分取向和高度结晶。,凝胶纺丝法,2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理,2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理,溶解是分子间的作用力被溶剂分子拆散的过程，溶质和溶剂分子本身及相互间的作用力相对大小将影响溶解进程。超高分子量聚乙烯的分子量极高、分子结构规整，分子间有强烈的形成结晶的趋势，结晶度极高，溶剂分子很难折散这种作用力，因此UHMWPE很难均匀充分溶解，只有在高温下才能溶解于二甲苯、十氢萘等少数几种溶剂中。,2.1原料溶解,2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理,2.2 丝条纺制,2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理,2.2 丝条纺制,2.2 丝条拉伸成型,2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理,2.2 丝条拉伸成型,2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理,冻胶溶液在喷丝孔道内受剪切作用，部分溶剂析出流入冷浴，大量的溶剂保留于冻胶丝条的网络结构内，除去后方能进行有效的高倍拉伸，通常采用低沸点且易挥发的第二溶剂（萃取剂）置换出高汽化点的第一溶剂。 目前所采用的萃取剂有汽油、正己烷，二甲苯，四氯化碳，二氯甲烷、四氯乙烷，三氯三氟乙烷或其他低沸点碳氢化合物。萃取剂的选择必考虑到萃取效率以及萃取剂的安全性和毒性。,干燥的目的除了去除大部分残余溶剂和萃取剂外，更重要的是要使纤维大分子形成折叠链结晶。聚乙烯大分子以大约20nm 厚的折叠链结晶形式存在于纤维中，结晶体C 轴或大分子链的轴垂直于这种片晶的表面，为正交晶体结构。大分子链的致密化和规整性增加可大大提高纤维力学性能和热性能，使其能承受在较高温度下的热拉伸，确保超倍拉伸的顺利进行。,3.1、耐磨性 UHMWPE的耐磨性居化纤之首，并超过某些金属，UHMWPE耐磨性与分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好。 3.2、耐冲击性 UHMWPE的冲击强度很高，以致于采用通常冲击试验方法难以使其断裂破坏，其冲击强度随分子量的增大而提高。 3.3、自润滑性 UHMWPE有极低的摩擦因数（0.050.11），故自润滑性优异。当它以滑动或转动形式工作时，比钢和黄铜加润滑油后的润滑性还要好。因此，在摩擦学领域UHMWPE被誉为成本/性能非常理想的摩擦材料。 3.4、耐化学药品性 UHMWPE具有优良的耐化学药品性，除强氧化性酸液外，在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质（酸、碱、盐）及有机介质（荼溶剂除外）。在20和80的80种有机溶剂中浸渍30d，外表无任何反常现象，其它物理性能也几乎没有变化。 3.5、冲击能吸收性 UHMWPE具有优异的冲击能吸收性，噪声阻尼性能很好，具有优良的消音效果。,3.超高分子量聚乙烯纤维的性能,3.6、耐低温性 UHMWPE具有优异的耐低温性，在液氦温度（-269）下仍具有延展性，因而能够用作核工业的耐低温部件。 3.7、卫生无毒性 UHMWPE卫生无毒，完全符合日本卫生协会的标准，并得到美国食品及药物行政管理局和美国农业部的认可，可用于接触食品和药物。 3.8、不粘性 UHMWPE表面吸附能力非常微弱，制品表面与其它材料不易粘符。 3.9、吸水性小 UHMWPE吸水率很低；一般小于0.01%。密度小于水，可浮于水面。,3.10、拉伸强度 UHMWPE具有朝拉伸取向必备的结构特征，纤维比强度是迄今已商品化的所有纤维中最高的，比碳纤维大4倍，比钢丝大10倍，比芳纶纤维大50%。,3.超高分子量聚乙烯纤维的性能,3.超高分子量聚乙烯纤维的性能,目前，UHMWPE已在纺织、造纸、包装、运输、进写、化工、采矿、石油、建筑、电气、食品、医疗、体育等领域得到广泛的应用，并开始进入常规兵器、船舶、汽车等领域。今后还将扩大到宇航和原子能等领域。,它可直接制成绳索、缆绳、渔网和各种织物：防弹背心和衣服、防切割手套等，其中防弹衣的防弹效果优于芳纶。超高分子量聚乙烯纤维织成不同纤度的绳索，取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳等。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的复合材料在军事上已用作装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩、头盔等；体育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。,4.超高分子量聚乙烯纤维的应用领域,超高分子量聚乙烯纤维是当今世界三大高科技纤维（碳纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维）之一，也是世界上最坚韧的纤维。其“轻薄如纸、坚硬如钢”，强度是钢铁的15倍，比碳纤维和芳纶1414（凯夫拉纤维）高2倍，是目前制造防弹衣的主要材料。,4.超高分子量聚乙烯纤维的应用领域,5.行业前景与展望,超高分子量聚乙烯纤维作为世界范围内的稀缺物资，世界年需求量为5万吨左右，欧美占70%以上。目前，