高强高模聚乙烯纤维性能和用途

精品文档 1欢迎下载 高强高模聚乙烯纤维性能和用途高强高模聚乙烯纤维性能和用途 一 性能介绍 一 性能介绍 UHMWPE 纤维特殊的结构特征决定了它具有许多良好的优异的性能 一般而 言 高强高模聚乙烯纤维本身具有三种形状 即单丝 复丝和带子 形状规格不同 其物理性能差异较大 UHMWPE 纤维具有很高的轴向比拉伸强度和模量 而且能 量吸收性能比芳纶优越 并且也弥补了高性能的碳纤维 碳化硅纤维等断裂应 变小的弱点 同时它还具有耐紫外线辐射 耐化学腐蚀 介电常数低 电磁波 透射率高 摩擦系数低及突出的抗冲击 抗切割等优异性能 它是目前强度最 高的纤维之一 比强度能达到优质钢的 15 倍 模量也很高 仅次于特种碳纤 维 断裂伸长率较其它特种纤维高 断裂功很大 UHMWPE 纤维性能指标 回潮无沸水收缩率 1 熔点 135 145 导热率 沿纤维轴向 20w m k 热膨胀系数 12 106 k21 介电常数 22 10GHhz 2 25 介 电强度 900kv cm 1 1 优良的力学性能 优良的力学性能 高强高模聚乙烯纤维的密度为 0 97g cm3 只有芳香族聚酰胺纤维 芳纶 的 2 3 高模碳纤维的 1 2 而轴向拉伸性能很高 Spectra1000 纤维的比拉伸 强度时现是高性能纤维中最高的 比拉伸模量比高模量碳纤维低 但比芳香族 聚酰胺纤维高得多 如果再考虑比重的话 它是一种非常独特的纤维 在保持 良好性能同时 还能省重量 高强高模 PE 纤维的理论值可达 320km 约为芳纶 的二倍 由于复合材料的拉伸强度是由纤维控制的 因此高强高模聚乙烯纤维 单向增强复合材料的纵向拉伸性能也很好 几种高性能纤维的性能比较表见表 1 5 图 1 12 是各种纤维的应力 应变曲线 从图上可以看到 强度在 2 734 3 5N tex 范围内 高强高模聚乙烯纤维的断裂伸长率为 3 5 相对于 碳纤维 玻璃纤维和芳香族聚酰胺纤维来说 拉断该纤维所花费的能量是最大 的 图 1 13 对几种纤维的比强度 比模量进行了比较 从图中可以看出 高 强高模聚乙烯纤维的比强度 比模量明显高于其他纤维 在相同质量的材料中 强度最高 精品文档 2欢迎下载 2 2 优良的耐冲击性能 优良的耐冲击性能 UHMWPE 纤维是玻璃化温度低的热塑性纤维 韧性很好 在塑性变形过程中 吸收能量 因此 它的复合材料在高应变率和低温下 仍具有良好的力学性能 抗冲击能力比碳纤维 芳纶纤维及一般玻璃纤维复合材料高 UHMWPE 纤维复合 材料的比冲击总吸收能量 Et p 分别是碳纤维 芳纶和 E 玻璃纤维的 1 8 2 6 和 3 倍 其防弹能力比芳纶的装甲结构高 2 5 倍 UHMWPE 纤维的冲击强度几乎 与尼龙相当 在高速冲击下的能量吸收是芳纶 PPTA 纤维 尼龙纤维的两倍 这种性能非常符合制作防弹材料 3 3 极好的弯曲性能极好的弯曲性能 精品文档 3欢迎下载 超高分子量聚乙烯纤维具有极好的弯曲性能 能不断裂地形成针织线圈和 打结头 而玻璃纤维 碳纤维和芳纶纤维的弯曲性能较差 对各种纤维加工性 能进行比较 超高分子量聚乙烯具有很高的勾结强度和成环强度 UHMWPE 纤维 比芳纶成圈性能更好 4 4 纤维抗蠕变性能纤维抗蠕变性能 HSHMPE 纤维的蠕变性能取决于使用环境的温度和负荷情况 纤维在 35 和 1g d 负荷状态下的蠕变情况如表 3 所示 与常规得到的纤维相比 其抗蠕变性能 已经非常杰出 5 5 良好的抗湿性和抗化学腐蚀性能 良好的抗湿性和抗化学腐蚀性能 由于聚乙烯的化学结构简单 因此耐腐蚀性能极好 用这种纤维制造的产 品不会由于和酸 碱 污海水等接触而损失其强度 UHMWPE 纤维具有高度的分 子取向和结晶 大分子截面积小 所以链间排列紧密 从而有效地阻止水分子 和化学试剂的侵蚀 因此使其具有了良好的耐溶剂溶解性能 Spectra 纤维在 多种介质中 如水 油 酸和碱等溶液中浸泡半年 其强度可完全保留 Spectra 纤维在水中浸泡两年 仍可保留原有的强度 还可防生物腐蚀 表 1 8 列出了 Spectra 纤维和 Kevlar 纤维在各种化学介质中的强度保留率 UHMWPE 纤维大分子链上不含任何芳香环 氨基 羟基或其它易受活性试剂攻击的化学 基团 结晶度又高 因此在各种苛性环境中强度均保持在 90 以上 而芳纶在 强酸 强碱中下降则很大 精品文档 4欢迎下载 表 1 9 给出了在室温条件下高强高模聚乙烯纤维耐化学性能的实测数据 结果表明 高强高模聚乙烯纤维经强酸作用一周后 其强度不变 模量损失 10 一个月后强度损失 5 模量损失 10 相比之下 虽然开始阶段模量稍有变化 但随着时间的增长 没有进一步变化的趋势 6 6 耐磨性能 耐磨性能 材料的耐磨性能一般随着模量的增大而减小 但对于 UHMWPE 纤维 趋势却 相反 这是因为它的摩擦系数低所致 故而其具有很高的耐久性 Spectra900PE 纤维绳子的破断循环数 n 比芳纶高 8 倍 耐磨性和耐弯曲疲劳 强度也比芳纶高适合做绳索 由于它的易加工性 在工业方面有很好的应用前 景 UHMWPE 的耐磨性能居塑料之冠 比碳钢 黄钢还耐磨数倍 它的耐磨性是 普通聚乙烯的数十倍以上 并且随着相对分子质量的增大 其耐磨性能还进一 步提高 但当相对分子质量达到一定数值后 其耐磨性能不再随相对分子质量 的增大而发生变化 7 7 电绝缘和耐光性能 电绝缘和耐光性能 UHMWPE 纤维增强复合材料的介电常数和介电损耗值低 反射雷达波很少 因此对雷达波的透射率高于玻璃纤维复合材料 聚乙烯材料的介电常数的和节 电损耗值这两个值最小 适用于制造各种雷达罩 此外 UHMWPE 的介电强度约 为 700kV mm 能抑制电弧和电火花的转移 图 1 14 是各种纤维耐光性的比较 十分明显 UHMWPE 纤维的耐光性是图 中所有纤维中最好的 与芳纶纤维相比 UHMWPE 纤维的断裂强度在长时间光照 作用下依然有很高的保持率 芳纶纤维不耐紫外线 使用时必须避免阳光直接 精品文档 5欢迎下载 照射 而聚乙烯纤维由于化学结构上的优势 是有机纤维中耐光性最优异的纤 维 即使经过 1500h 光照之后 UHMWPE 纤维的强度保持率还有 68 左右 而其 他纤维均在 50 以下 8 8 耐切割性能耐切割性能 高强高模聚乙烯纤维 商品名为 Certran 具有良好的耐切割性能 与 Kevlar29 和 Spectra1000 的耐切割性能相当 可应用于加工制作防切割工作服 等 由于该纤维比 Kevlar29 的加工工艺流程短 无溶剂回收问题 设备投资少 价格低 因此将会在制作防切割纺织品等方面受到重视 9 9 耐高能辐射性能耐高能辐射性能 超高分子量聚乙烯纤维在受到赣能辐射 如电子射线或 r 射线的照射时 分子链会发生断裂 纤维强度会降低 有研究表明 当对射线的吸收剂量达到 1 102kj kg 时 会对纤维的性能产生显著的影响 但当吸收剂量高达 3 106kj kg 时 纤维还可以保持可用的强度 因此 在 UHMWPE 纤维正常生产和 存储期间 无须对日照进行特殊防备 10 10 耐低温耐低温 超高分子量聚乙烯纤维在液氦温度 269 下仍具有延展性 而芳纶到 30 便失去了防弹性能 超高分子量聚乙烯纤维在液氮中 195 也能保持 优异的冲击强度 这一特性是其他塑料所没有的 因而他能够用作核工业的耐 精品文档 6欢迎下载 低温部件 11 11 优越的能量吸收性能优越的能量吸收性能 UHMWPE 纤维是玻璃化转变温度较低的热塑性纤维 韧性很好 能在塑性变 形过程中大量吸收能量 纤维的模量非常高 具有较低的伸长率 断裂所需的 能量很大 因此 它的复合材料在高应变率和低温下仍具有良好的力学性能 抗冲击能力比碳纤维 芳伦纤维及一般玻璃纤维复合材料高 该纤维复合材料 的比冲击总吸收能量 Et 分别是碳 芳伦和 E 玻璃纤维的 1 8 2 6 和 3 倍 其防弹能力是芳伦纤维的装甲结构高 2 5 倍 这些性能被用于弹道保护产品和 防切割 防冲击产品上 12 12 低的介电常数和介电损耗低的介电常数和介电损耗 UHMWPE 纤维的介电常数和介电损耗值低 在各种制作复合材料的纤维中 最小 反射雷达波最小 因此对雷达波的透射率很高 这个性能常被用来制作 各型雷达的外罩 1313 耐紫外线能力强 耐紫外线能力强 芳伦纤维不耐紫外光 使用时必须避免阳光直接照射 而 UHMWPE 纤维是有 机纤维中耐光性最优异的纤维 同样经紫外光照射 1500 小时 该纤维的强度保 持率在 90 左右 而芳伦纤维只有 30 14 14 热性能热性能 普通聚乙烯纤维的熔点为 134 左右 UHMWPE 纤维的熔点比其高 10 20 所测的熔点值与施加在被测纤维上的张力有关 张力愈大熔点愈高 UHMWPE 纤 维的最高使用温度为 80 100 但在稍高温度短时间下仍能保持原有性能 这一点对用于复合材料时的加工非常重要 纤维力学性能与使用加工温度有关 在 80 温度下 强度 模量约下降 30 在低温 30 下强度和模量随之 升高 热处理 130 3h 后 强度和模量均为未经处理纤维的 80 另外 高强聚乙烯纤维增强塑料的热传导率也很高 同钢一样高 15 15 其他性能其他性能 UHMWPE 纤维在高温和张力下使用会发生蠕变 蠕变行为的大小与冻胶纺丝 中使用的溶剂种类有关 若使用的溶剂为石蜡油 石蜡 则由于溶剂不易挥发 精品文档 7欢迎下载 易残存于纤维内 蠕变倾向显著 而用挥发性溶剂十氢萘时 则所得纤维的蠕 变性能极大地改善 另外 UHMWPE 纤维质轻 特别低的比重 UHMWPE 是世界 上唯一一种密度比 1 0 还低的超级纤维 其比重为 0 97 比水还轻 这种纤维 能浮于水上 UHMWPE 纤维除具有上述性能外 还具有其它优异的物性 二 用途介绍 二 用途介绍 高强高模聚乙烯纤维除在现代化战争 宇航 海域 防御装备等方面发挥 重要作用外 由于超高分子量聚乙烯纤维具有众多的优异特性 它在高性能纤 维市场上 包括从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大 的优势 1 1 国防军需装备方面 国防军需装备方面 由于该纤维的耐冲击性能好 比能量吸收大 在军事上可以制成防护衣料 头盔 防弹材料 如直升飞机 坦克和舰船的装甲防护板 雷达的防护外壳罩 导弹罩 防弹衣 防刺衣 盾牌等 其中以在防弹衣中的应用最为引人注目 超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值 u p 是钢的 l0 倍 是玻璃纤 维和芳纶的 2 倍多 国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹 防暴头盔 已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品 防弹防护方面的应用防弹防护方面的应用 UHMWPE 纤维在安全防护用品领域的应用集中体现了 UHMWPE 纤维的优异性能 UHMWPE 纤维复合材料的抗冲击韧性很好 比冲击吸收 能量是高级复合材料中最高的 防护用品包括防弹用品 防刺用品 防割 含 防划伤 用品 防护用品是目前高强高模聚乙烯纤维的主要领域 单是 UD 布的 生产就使用了高强高模聚乙烯纤维总量的 45 以上 UD 布是生产防弹衣 防刺 服 防弹板 防弹装甲的核心材料 其中最主要的产品是软质防弹衣 高强高 模聚乙烯纤维防护用品与芳纶 碳纤维防护用品 以及陶瓷 钢铁 合金防护 用品相比 在保证防护性能的前提下 大大降低了防护用品质量 例如用于头 盔可减重 400g 左右 相当于壳体重的 30 40 可大大减轻使用人员的负担 所以深受欢迎 在轻质装甲方面 高强高模聚乙烯纤维有很好的应用前景 如 可用于直升机防护装甲 坦克装甲 装甲车装甲等 仅装甲一辆坦克或装甲车 就需要 UD 产品 400kg 或更多 如果能推广使用 用量将十分可观 随着军备水 平的提高 对高强高模聚乙烯纤维的需求也将越来越多 高强高模聚乙烯纤维 精品文档 8欢迎下载 防护用品的使用温度可低至零下 150 已经超出地球低温极限 而芳纶在零 下 30 就会失去防弹性能 因此在高寒地区 高强高模聚乙烯纤维产品是防护 用品的首选 它具有轻柔的优点 现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维 用 UHMPE 纤维制生产的安全带与一般纤维生产的产品相比 具有更高的撕裂强度 由 于 UHMWPE 纤维的伸长较小 可以限制冲撞时乘客的移动量 尤其 UHMWPE 纤维所 具有的耐磨损性 耐光性 耐水性及耐寒性 提高了安全带的使用寿命 另外 由 于具有较高的强度 可以减少纤维的用量 使安全带的厚度减少 易于卷人收缩器 且 手感柔软 佩戴舒适 利用 UHMWPE 纤维的超高强力 质轻以及良好的耐老化性 可以提高建筑物外防护网的安全系数和使用寿命 2 2 航空航天方面的应用 航空航天方面的应用 在航天工程中 由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好 适用于各种 飞机的翼尖结构 飞船结构和浮标飞机等 以其制成的武装直升机和战斗机的 壳体材料还具有优异的防弹性能 该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落 伞和飞机上悬吊重物的绳索 取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳索 其发展速 度异常迅速 3 3 民用方面 民用方面 1 1 绳索 缆绳方面的应用绳索 缆绳方面的应用 绳 缆 索类的重要指标之一是破裂强度 高强高 模聚乙烯纤维的破裂强度大大高于其他高强度纤维 可制作各种捻制编制的耐 海水 耐紫外线 不会沉浸而浮于水面的工具 用该纤维制成的绳索 缆绳 船帆和渔具适用于海洋工程 是 UHMWPE 纤维的最初用途 UHMWPE 纤维具有轻 质高强 使用周期长 耐磨 耐湿 断裂伸长大等特性 而普遍用于负力绳索 重载绳索 救捞绳 拖拽绳 帆船索和钓鱼线等 用此纤维制成的直径 1cm 的 绳索断裂强度达 120kN 与钢丝绳相比 重量减少 50 强度却能提高 15 寿 命是钢丝绳几倍 使用及存放方便 有着广阔的前景 传统船用缆绳一般采用 涤纶 锦纶和丙纶工业丝 国内生产使用较多的是锦纶缆绳和丙纶缆绳 两者 约各占一半 采用 UHMWPE 纤维用于制造替代上述品种的缆绳 其成品不仅能克 服丙纶制品易老化而导致强度迅速下降的一系列问题 还由于其密度小于水及 其他纤维 从而解决了涤纶和锦纶缆绳操作重量大 沉入水中易缠绕螺旋桨而 引起事故等各种难题 荷兰 DSM 公司的 UHMWPE 纤维用于制造缆绳的要占总产量 精品文档 9欢迎下载 的 40 说明绳索是 UHMWPE 纤维应用的重要领域 国内目前船用缆绳的年需求 量接近 10000 吨 随着我国经济发展水平的提高 高性能纤维制造的船用缆绳 必将逐步替代现用船缆 2 2 渔网 渔网 目前合成纤维已成为制作渔网的最普遍的材料 国内用于织网的原 料以锦纶和普通聚乙烯纤维为主 锦纶渔网丝年用量 6000 吨 聚乙烯年用量在 20000 30000 吨之间 在网线强度相同的条件下 用 UHMWPE 纤维加工成的渔 网重量比普通聚乙烯纤维渔网轻 50 以上 或同样重量的纤维可制造更大尺寸 的网具 使其每平方米的拉网阻力减少 40 即在同等功率的船只上可使用开 口面积更大的拖网 使捕鱼效率提高 80 3 3 体育器材用品 体育器材用品 UHMWPE 纤维可用于作各类球拍 安全帽 滑雪板 帆轮 板 钓竿 冲浪板和自行车骨架材料的增强材料 也可直接用于制作钓鱼线和 球拍弦 由于 UHMWPE 纤维复合材料比强度 比刚度高 韧性和损伤容限好 因 此制成的运动器械既轻又耐用 此类休闲 消遣类产品随着生活水平的提高 需求量呈不断上升的趋势 4 4 医用高分子材料医用高分子材料 高强高模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 作为生物医用材料 已成功应用于牙托材料 医用移植物和医用缝合线及人造器官 例如人造关节 人造韧带 人造肢体以及组织支架 输血泵等方面 在股关节中 高强高模聚 乙烯纤维作为髋臼部件 在髋臼的凹处为金属 陶瓷股骨头旋转 往复运动提 供活动空间 在膝关节中 高强高模聚乙烯纤维主要作为衬垫材料 承载上下 骨的摩擦与运动 目前结合高强高模聚乙烯纤维挤出和计算机控制的堆积成型 技术 可以制备形状复杂且具有多孔的支架材料 如现在已经成功开发出熔融 堆积方法生产的人耳组织支架 将高强高模聚乙烯纤维作为血液泵的材料 经 测试无生物毒性并且可以长期使用 高强高模聚乙烯纤维与乙烯 丁烯和苯乙 烯弹性体共混作为血液袋可以耐 196 温度 并且在低温下保持良好的塑性 5 5 工业上 工业上 该纤维及其复合材料可用作耐压容器 传迭带 过滤材料 汽车 缓冲板等 建筑方面可以用作墙体 隔板结构等 用它作增强水泥复合材料可 以改善水泥的韧度 提高其抗冲击性能 超高分子量聚乙烯纤维目前属世界范 围内的稀缺物资 世界年需求量约 5 万吨 其中美国占 70 但目前全世界产 精品文档 10欢迎下载 量不足 10000 吨 缺口很大 据国内外专家预测 未来 10 年内每年超高分子量 聚乙烯纤维的市场年需求量将在 l0 万吨以上 市场潜力巨大 前景广阔 薄膜薄膜 以板材为基础 高强高模聚乙烯纤维经切削加工可制成厚度在 1mm 以下的 薄膜 高强高模聚乙烯纤维薄膜具有非常稳定化学性质 具有优秀的耐溶剂 抗腐蚀性 还具有优良的疏水性 耐冲击性和耐磨损性 管材管材 高强高模聚乙烯纤维管材在 2001 年被科技部列为国家科技成果重点推广 计划 属化工类新材料 新产品 同时将高强高模聚乙烯纤维管材列为当前优 先发展的高科技产业重点领域项目 高强高模聚乙烯纤维管材作为一种高耐磨 耐冲击 耐腐蚀 耐低温 自润滑 不结垢 内压强度高 噪音小 无毒 轻 便的新型塑料管材 是固体 液体 气体三态物质均可输送的高性能工程塑料 管材 如高强高模聚乙烯纤维管道优异的耐化学腐蚀性和耐环境应力开裂性 使其在各油田得到广泛的应用 同时解决了管道腐蚀的问题 6 6 其它复合材料的应用 其它复合材料的应用 UHMWPE 纤维及其复合材料在此方面具有巨大的发 展潜力 因而成为世界材料界瞩目的一种高技术材料 专家学者通过研究开发 大大拓宽了其应用领域 高强高模聚乙烯纤维及其织物经表面处理后 可改善 其与聚合物树脂基体的粘合性能 从而达到增强复合材料的效果 这种材料的 质量大幅度减轻 冲击强度较高 消震性明显改善 此外 用高强高模聚乙烯 纤维增强的复合材料具有较好的介电性能 抗屏蔽效果也优异 因此 可用作 无线电发射装置的天线整流罩 光纤电缆加强芯 X 光室工作台 表 1 14 列出 了 Dyneema 复合防弹板在不同类型军用弹种下的实验参数 表 1 15 列出了用 不同高性能纤维制备的军用头盔的防弹性能 其他复合材料的应用 a a 极低温材料 极低温材料 近年来 日本东洋纺公司利用 Dyneema 纤维复合材料 DFRP 的耐极低温性将它应用于超导设备 电力 车辆和医疗领域 过去在电力领域 一直期待采用超导线圈 但绕于卷框上的导体会产生热收缩及与卷框间的摩擦 热 从而破坏了超导状态 使线圈无法发挥正常功能 而改用 DFRP 卷框后 由 于可耐温 196 269 因此可解决此问题 东京电力公司与东芝公司共同开 发的限流器交流线圈的卷框 自 1994 年起改用了 DFRP 制品 使用效果良好 在医疗器械 传感器的支承柜等领域采用 DFRP 材料 可降低占制造成本 90 以 上的加工费用 精品文档 11欢迎下载 b b 高性能的薄壁高压容器 高性能的薄壁高压容器 由于 UHMWPE 纤维的抗拉强度高 抗化学腐蚀和 抗溶解性能好 以其为原料通过缠绕或手糊的方式制成的复合材料可制成耐压 容器 适用于存贮各种气体或液体介质 它的形状转换有效性约为 98 UHMWPE 纤维制成的耐压容器的性能系数比芳纶制成的产品大 45 c c 雷达的透射和吸收材料 雷达的透射和吸收材料 UHMWPE