高强高膜聚乙烯纤维.doc

高强高膜聚乙烯纤维的性能及其应用摘要：高强高模聚乙烯纤维是新兴的高分子纤维，与碳纤维、芳伦并列为三大高性能纤维，其性能优异，已在广泛应用于各个领域。对此，本文对该纤维进行介绍，了高强聚乙烯纤维的性能及其应用发展。1 高强高膜聚氯乙烯纤维的定义高强高模聚乙烯纤维(也称为超高分子量聚乙烯纤维，英文Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，简称UHMWPE)，是上世纪80年代初研制成功的高性能有机纤维，它是当今世界三大高科技纤维（碳纤维、芳伦、高强高模聚乙烯纤维）之一，是一种具有高度取向直链结构的纤维。2. 高强高膜聚乙烯纤维生产工艺方法UHMWPE 纤维的生产采用凝胶纺丝( 又称冻胶纺丝) 方法进行。现有的生产工艺可以分为两大类, 一类以DSM 和东洋纺为代表的干法纺丝法, 另一类以Honeywell 为代表的湿法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂和后续工艺。DSM工艺采用十氢萘溶剂。十氢萘易挥发,可以采用干法纺丝, 省去了其后的萃取工段; Honey well 采用石蜡油溶剂,需要后续的萃取工段, 用第2溶剂( 萃取剂) 将第1溶剂萃取出来。Honey well 等公司采用的石蜡油( paraffin oil) , 又称矿物油( mineral oil) 或者白油( white oil) 。一般为沸点高于350的烃类混合物。国内现有的生产厂家大多数都采用石蜡油为溶剂的湿法纺丝工艺。3. 高强高膜聚乙烯纤维的性能超高分子聚乙烯纤维具有高取向度，高结晶度，微纤沿拉伸方向排列规整度高，使用电子显微镜还能够观察到“串晶”结构。这些结构赋予其良好的机械性能: 沿纤维轴向方向，纤维具有很高的耐拉伸性，比强度，比模量都较高; 即使在很低的温度下，该纤维仍能够保持柔软，有研究表明，即使在 150的条件下，纤维也无脆化点。3.1 耐高能辐射性能超高分子量聚乙烯纤维在受到高能辐射，如电子射线或射线的照射时，分子链会发生断裂，纤维强度会降低。研究表明当吸收剂量达到1 102 kJ /kg 时，会对纤维的性能发生显著的影响。但当吸收剂量高达3 106 kJ /kg 时，纤维还可以保持可用的强度。在正常生产和储存期间无需对日照进行特殊防备。3.2 耐化学性能由于聚乙烯结构中不含有任何羟基，芳香环等能够易与接触物质发生反应的基团，而且经过超倍拉伸后，超高分子量聚乙烯纤维具有较为致密规整的内部结构，这些特点使超高分子量聚乙烯纤维非常耐受化学试剂的腐蚀，对于常见的酸碱腐蚀，耐受性明显高于同为高性能纤维的芳香族纤维。但受制于聚烯烃结构的特点，超高分子量聚乙烯纤维对氧化较为敏感，在强氧化作用下，会很快的失去强力。但是在正常的空气环境中，纤维能够稳定的存在很多年。3.3 耐疲劳性在绳索应用领域，耐疲劳性是一项重要的质量指标。通常绳索使用的材料为涤纶和锦纶，与它们相比，超高分子量聚乙烯纤维不仅强度高、模量量，还有着良好的抗弯曲疲劳能力，具有长挠曲寿命，这与其低压缩屈服应力有关。因为聚乙烯的自润滑性，超高分子量聚乙烯纤维制成的绳索也具有很好的耐磨性能4高强高膜聚乙烯纤维的主要用途4.1 绳缆由于超高分子量聚乙烯纤维高强力，高模量，耐腐蚀，耐磨损，耐光照，柔韧性好，其用于制作绳索是一种非常优秀的材料。因为其密度为0.98g/cm3 ，能够漂浮在水上，在水中的自由断裂长度为无限长，因此尤其适用于海洋用绳。随着我国经济发展水平的提高，高性能船用绳缆必将逐步替代现有普通船缆。在许多低温应用领域，如航天降落伞，飞机悬吊重物的绳索，高空气球的吊索等，超高分子量聚乙烯纤维绳缆也是首选。4. 2 安全防护超高分子量聚乙烯纤维与树脂复合材料的抗冲击韧性非常好，具有较强的比冲击吸收能量，分别是玻璃纤维复合材料、芳纶及碳纤维的1.8 倍、2.6 倍及3 倍。因此该种复合材料在防冲击吸能领域具有非常好的应用。例如用于防弹的避弹衣、头盔、复合装甲等;用于安全生产的防切割手套，护具，防冲击板材等; 用于高危环境下的防冲击护具，如警用防刺服，矿工防砸头盔等。随着世界热点地区的紧张局势加剧及该纤维生产生产成本下降，民间消费水平的提高，该纤维在防冲击吸能领域有着非常好的发展前景。4.3 渔业目前，合成纤维已成为制作渔网的最普遍的材料。在网线强度相同的条件下，用超高分子量聚乙烯纤维加工成的渔网比普通的纤维要轻至少40%，能够极大的提高捕捞作业的劳动效率，减少渔船能耗。超高分子量聚乙烯纤维用作深海养殖网箱，可以制作的无限大，良好的机械性能又能够很好的防治食肉鱼对经济鱼类的猎杀，有效地控制养殖成本及风险。4.4 休闲体育用品由于超高分子量聚乙烯纤维复合材料比强度比模量高，韧性和损伤容限好，因此制成的运动器械重量轻且结实耐用。如今，超高分子量聚乙烯纤维被用作网球拍，滑雪板，冲浪板等体育用品的骨架材料，以其优良的性能，赢得了使用者的喜爱。4.5 其他复合材料的应用超高分子量聚乙烯纤维作为一种性能优异的材料，很多科研人员希望能够通过界面改性，合理结构与混杂形式的优化等方面，研究开发新一代高性能复合材料，拓展其应用领域。一些相对比较成熟的研究成果给超高分子量聚乙烯纤维的应用提供了更多的可能。4.5.1 航空航天结构材料由于超高分子量聚乙烯纤维复合材料质轻，高强，耐冲击，适用做于飞机一些非高温部位的金属替代材料，现在飞机翼尖等领域有所使用。4.5.2 薄壁耐压容器利用超高分子量聚乙烯纤维高强高模的性质，耐化学腐蚀性能好，以其为原料制作的复合材料制成的高性能薄壁高压容器，能够用于存储较为广泛的气体或液体介质。它的形状转化效率高达97%，耐压容器性能系数比芳纶制品高45%。4.5.3 水上结构材料以超高分子量聚乙烯纤维复合材料制成的船身具有重量轻，使用寿命较长的特点，还可以用它制作潜望镜和海上平台等结构材料，它还被用作制作帆船风帆。4.5.4 高性能轻质雷达罩超高分子量聚乙烯纤维的介电常数低，介电损耗值低，电信号失真小，透射系数高，用于雷达罩基材各方面的性能参数均高于现在常用的玻璃纤维，是制作高性能轻质雷达罩的首选材料。4.5.5 医用高分子材料超高分子量聚乙烯纤维的生物相容性和耐久性都较好，化学稳定性好，不会引起人体的过敏反应和生物排斥反应。可以用作医用缝合线及人造器官，例如人造关节，人造韧带，人造肢体等。5 高强高模聚乙烯纤维的不足上述介绍了UHMWPE纤维的特点和优良的性能，其也有一些不足之处,如界面粘接性能差、不耐高温等。在应用UHMWPE纤维之时应尽量用其长处，而对其不足可采取技术手段，扩大该纤维的应用范围和领域。5.1 界面粘接强度低由于UHMWPE纤维表面的惰性和非极性，浸润性差，因此纤维与基体之间的界面粘接强度低，影响了该纤维复合材料的力学性能，尤其是层间剪切、横向拉伸和断裂韧性等性能，限制了它作为结构材料方面的应用。可以通过纤维表面处理、使用粘结剂等方法改善复合材料的界面强度。该纤维表面处理方法有化学处理、低温等离子改性、辐射接枝改性、化学氧化法改性等；粘结的使用，无须对纤维进行表面处理就能改善界面状态，提高该纤维复合材料的整体性能。5.2 蠕变蠕变是有机纤维普遍存在的问题，UHMWPE纤维的蠕变比一般化纤小，但相比其它高性能纤维却要高，影响了其在复合材料中的应用。可通过纤维本身改性，来提高纤维抗蠕变的性能，通过溶有光敏剂的超临界二氧化碳辅助渗透预处理后，再经紫外光辐照使超高分子量聚乙烯纤维内部分子链间发生交联，可提高它的抗蠕变性能；可将其与其它抗蠕变性能好的纤维（碳纤维、玻璃纤维等）混杂，可明显提高其抗蠕变的性能。5.3 耐高温性能差UHMWPE纤维耐低温性能好，但其玻璃化转变温度低，熔点也低（150），影响在高温环境下的使用。在接近100时，耐恒定静拉载荷能力迅速下降，不适用在此温度范围较长时间承受较大载荷的场合。耐高温性能差是该纤维的固有特性，尽量避免使用在高温的环境下。若对纤维作长时间的热处理（130），在承载较小时能保持它的室温性能；在纤维分子间生存架桥结构，可提高其耐热性能。5.4 压缩强度低由于UHWMPE长链分子间的结合力（如范德瓦耳斯力）弱，其纤维复合材料的轴向压缩强度低，只有拉伸强度的1/61/12，影响应用范围。可将该纤维与高性能纤维（碳纤维、玻璃纤维）进行混杂制成复合材料，提高压缩强度，得到预期的性能高强聚乙烯纤维6