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專題報(bào)告

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一文了解超高分子量聚乙烯纖維(上篇)

1.1  超高分子量聚乙烯概述


超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維,又稱高強(qiáng)高模聚乙烯纖維,是繼碳纖維、芳綸纖維之后的第三代高性能纖維。超高分子量聚乙烯纖維是目前工業(yè)化高性能纖維材料中比強(qiáng)度和比模量最高的纖維,是分子量在100萬以上的聚乙烯樹脂所紡出的纖維(普通聚乙烯的分子量一般在4-12萬),其斷裂伸長率高于碳纖維和芳綸,柔韌性好,在高應(yīng)變率和低溫下力學(xué)性能仍然良好,抗沖擊能力優(yōu)于碳纖維、芳綸等,是一種非常理想的防彈、防刺安全防護(hù)材料。


一文了解超高分子量聚乙烯纖維(上篇)

超高分子量聚乙烯纖維


超高分子量聚乙烯纖維與普通的聚乙烯纖維相比,具有強(qiáng)度高、韌性好,以及優(yōu)良的抗沖擊性和抗切割性、高耐磨性、耐化學(xué)腐蝕性等特性。其中,超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度是優(yōu)質(zhì)鋼材的15倍,是玻璃和尼龍664倍,是碳纖維的2.6倍,是芳綸纖維的1.7;在抗沖擊性能方面,超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的比沖擊總吸收能量是碳纖維的1.8倍、芳綸的2.6倍,防彈能力是芳綸裝甲結(jié)構(gòu)的3.6倍。由于質(zhì)輕高強(qiáng)及比能量吸收高的特點(diǎn),超高分子量聚乙烯纖維已逐步取代芳綸,成為個(gè)體防彈防護(hù)領(lǐng)域的首選纖維。超高分子量聚乙烯纖維具有超高強(qiáng)度、超高模量、低密度、耐磨損、耐低溫、耐紫外線、抗屏蔽、柔韌性好、沖擊能量吸收高及耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、化學(xué)腐蝕等眾多的優(yōu)異性能,被廣泛應(yīng)用于軍事裝備、海洋產(chǎn)業(yè)、安全防護(hù)、體育器械等領(lǐng)域。


一文了解超高分子量聚乙烯纖維(上篇)

纖維性能對(duì)比



1.2  超高分子量聚乙烯制備工藝



超高分子量聚乙烯制備工藝可分為干法工藝與濕法工藝。一類是干法工藝路線,即高揮發(fā)性溶劑干法凝膠紡絲工藝路線;另一類是濕法工藝路線,即低揮發(fā)性溶劑濕法凝膠紡絲工藝路線。采用的溶劑和后續(xù)工藝是這兩種工藝路線最大的區(qū)別,由于兩類溶劑特性區(qū)別大,從而后續(xù)溶劑脫除工藝也完全不同,各有優(yōu)勢(shì)。


干法工藝路線紡絲:干法主要以十氫化萘為紡絲溶劑,與UHMWPE樹脂混合后,經(jīng)過雙螺桿擠出機(jī)高溫混煉、噴絲板擠出成熔體細(xì)流,通過惰性氣體等方式吹掃使溶劑脫去,同時(shí)熔體固化成原纖可收卷成型。原纖再經(jīng)過多級(jí)多次的超倍熱拉伸可得到強(qiáng)度較高的UHMWPE纖維。相較于濕法路線紡絲,干法路線工藝流程短、經(jīng)濟(jì)環(huán)保,其制備的纖維表面平整、缺陷少、柔軟、結(jié)晶度高、纖維密度大、熔點(diǎn)高、熔程短、溶劑殘留低。荷蘭DSM公司、東洋紡公司、儀征化纖、上?;ぱ芯吭河邢薰揪捎酶煞üに嚶肪€生產(chǎn)UHMWPE纖維。


一文了解超高分子量聚乙烯纖維(上篇)

干法工藝路線


干法路線關(guān)鍵工藝技術(shù):樹脂在十氫萘溶劑中溶脹過程對(duì)于紡絲溶液均勻溶解至關(guān)重要;紡絲溶液均勻下料是影響纖維纖度的關(guān)鍵;初生纖維中溶劑的充分揮發(fā)是影響溶劑回收和纖維力學(xué)性能的關(guān)鍵;超倍拉伸溫度、拉伸比和拉伸速度是影響纖維結(jié)晶和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。


濕法工藝路線紡絲:濕法路線采用的紡絲溶劑為高沸點(diǎn)不易揮發(fā)溶劑,如白油、礦物油、煤油等,紡絲加工溫度可調(diào)節(jié)范圍大。紡絲溶劑需要在紡絲后期進(jìn)行萃取和干燥,常用萃取劑主要有碳?xì)淝逑磩?、二氯甲烷、二甲苯等,紡絲溶劑回收工藝經(jīng)十余年的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,相對(duì)簡單成熟,但環(huán)保、安全的壓力較大。

一文了解超高分子量聚乙烯纖維(上篇)

濕法工藝路線


濕法路線是目前國內(nèi)外纖維企業(yè)用得更多的一種工藝技術(shù)路線,最早是1985年由美國Honeywell公司購買DSM專利后進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)推出的纖維牌號(hào)有Spectra-HTSpectra900、Spectra1000等系列產(chǎn)品,其中Spectra-HT牌號(hào)斷裂強(qiáng)度可達(dá)40cN/dtex。另外日本三井公司于1988年正式商業(yè)化生產(chǎn)UHMWPE纖維,牌號(hào)為Tekmilon,產(chǎn)品重點(diǎn)放在作業(yè)手套、釣魚線和纜繩市場(chǎng)。我國于20世紀(jì)80年代開始相關(guān)研究,并于2000年左右實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),目前國內(nèi)濕法生產(chǎn)企業(yè)有同益中、愛地、九九久、中泰等十余家公司,可生產(chǎn)不同旦數(shù)、強(qiáng)度的軍民用纖維產(chǎn)品,占全球產(chǎn)銷量的60%以上,但以中低端產(chǎn)品為主,產(chǎn)品價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈。


濕法路線發(fā)展方向:傳統(tǒng)的濕法路線由于工藝的先天性缺陷,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性受到影響,特別是纖維旦數(shù)的偏差率普遍較高,優(yōu)化現(xiàn)有的工藝路線,進(jìn)一步提高纖維的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、功能性是目前濕法路線研究的重點(diǎn)。


1.3  超高分子量聚乙烯發(fā)展


國內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維企業(yè)正處于成長階段,目前產(chǎn)品多用于中低端領(lǐng)域。2005年,國內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維企業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破后,超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)良好的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益吸引多家企業(yè)投資,國內(nèi)新建了數(shù)十條超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)線,形成了較為完善的規(guī)?;a(chǎn)能力。


國內(nèi)企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)品主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:

(1)逐步實(shí)現(xiàn)了超高分子量聚乙烯纖維的批量化生產(chǎn),打破海外龍頭技術(shù)壟斷、填補(bǔ)了國內(nèi)空白,實(shí)現(xiàn)了超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)品的進(jìn)口替代;
(2)國內(nèi)企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維及復(fù)合材料產(chǎn)品,在主要指標(biāo)和功能方面,已達(dá)到國際領(lǐng)先知名品牌的同等水平,實(shí)現(xiàn)了在相關(guān)高端應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)口替代,特別是改變了我國在部分軍工裝備領(lǐng)域(例如海軍艦艇纜繩和武警、陸軍防彈衣等)的對(duì)國外產(chǎn)品的依賴受制約的局面;
3)在抗蠕變等高端產(chǎn)品以及醫(yī)用縫合線、雷達(dá)天線罩等細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域,我國仍處于起步階段,我國企業(yè)仍將持續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品及應(yīng)用研發(fā)。

國際上,荷蘭DSM、美國Honeywell和日本Toyobo三家企業(yè)壟斷著全球超高分子量聚乙烯纖維高端產(chǎn)品技術(shù)。近年來,隨著超高分子量聚乙烯纖維在軍事、航空航天和民用領(lǐng)域應(yīng)用需求的提升,中國企業(yè)產(chǎn)能逐步擴(kuò)大,雖然中國代表性企業(yè)超高分子量聚乙烯纖維的市場(chǎng)占有率在逐漸上升,但是中國本土企業(yè)產(chǎn)品主要以中低端產(chǎn)品為主。目前,我國超高分子量聚乙烯纖維主要生產(chǎn)企業(yè)已近20家,主要企業(yè)有浙江千禧龍纖特種纖維股份有限公司、北京同益中新材料科技股份有限公司、江蘇九州星際新材料有限公司等。


圖片

國內(nèi)UHMWPE纖維企業(yè)在高端應(yīng)用領(lǐng)域有待突破。盡管2011年之后我國超高分子量聚乙烯纖維的產(chǎn)能已經(jīng)超過全球總產(chǎn)能的50%,但是國內(nèi)的超高分子量聚乙烯纖維整體呈現(xiàn)中低端產(chǎn)能富余、高端產(chǎn)能緊缺的情況。我國超高分子量聚乙烯纖維企業(yè)在醫(yī)用縫合線、雷達(dá)天線罩等高端應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)仍處于起步階段,在產(chǎn)品一致性及穩(wěn)定性、抗蠕變產(chǎn)品等細(xì)分領(lǐng)域仍處于不斷追趕海外龍頭公司的位置。以同益中為代表的國內(nèi)企業(yè)仍需在高端領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)“從有到優(yōu)”更高端產(chǎn)品的突破。

一文了解超高分子量聚乙烯纖維(上篇)

超高分子量聚乙烯醫(yī)用縫線



此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯,部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的,僅供行業(yè)人士交流,引用請(qǐng)注明出處。

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