1、高強高模聚乙烯纖維性能和用途（一）性能介紹UHMWPE纖維特殊的結構特征決定了它具有許多良好的優異的性能。一般而言,高強高模聚乙烯纖維本身具有三種形狀:即單絲、復絲和帶子,形狀規格不同其物理性能差異較大。UHMWPE纖維具有很高的軸向比拉伸強度和模量，而且能量吸收性能比芳綸優越，并且也彌補了高性能的碳纖維、碳化硅纖維等斷裂應變小的弱點。同時它還具有耐紫外線輻射、耐化學腐蝕、介電常數低、電磁波透射率高、摩擦系數低及突出的抗沖擊、抗切割等優異性能。它是目前強度最高的纖維之一，比強度能達到優質鋼的15 倍，模量也很高，僅次于特種碳纖維。斷裂伸長率較其它特種纖維高，斷裂功很大。UHMWPE 纖維性能指

2、標：回潮無沸水收縮率 1，熔點135145，導熱率（沿纖維軸向）20w/m k ，熱膨脹系數 12×106/k21，介電常數（22，10GHhz）2.25，介電強度 900kv/cm 。 （1）優良的力學性能高強高模聚乙烯纖維的密度為0.97g/cm3，只有芳香族聚酰胺纖維（芳綸）的2/3、高模碳纖維的1/2，而軸向拉伸性能很高。Spectra1000纖維的比拉伸強度時現是高性能纖維中最高的，比拉伸模量比高模量碳纖維低，但比芳香族聚酰胺纖維高得多。如果再考慮比重的話，它是一種非常獨特的纖維，在保持良好性能同時，還能省重量。高強高模PE纖維的理論值可達320km,約為芳綸的二倍。由于復

3、合材料的拉伸強度是由纖維控制的，因此高強高模聚乙烯纖維單向增強復合材料的縱向拉伸性能也很好。幾種高性能纖維的性能比較表見表15。圖112是各種纖維的應力應變曲線，從圖上可以看到，強度在2.7343.5N/tex范圍內，高強高模聚乙烯纖維的斷裂伸長率為3%5%，相對于碳纖維、玻璃纖維和芳香族聚酰胺纖維來說，拉斷該纖維所花費的能量是最大的。圖113對幾種纖維的比強度、比模量進行了比較。從圖中可以看出，高強高模聚乙烯纖維的比強度、比模量明顯高于其他纖維，在相同質量的材料中，強度最高。（2）優良的耐沖擊性能UHMWPE纖維是玻璃化溫度低的熱塑性纖維，韌性很好，在塑性變形過程中吸收能量，因此，它的復合材

4、料在高應變率和低溫下，仍具有良好的力學性能。抗沖擊能力比碳纖維、芳綸纖維及一般玻璃纖維復合材料高。UHMWPE纖維復合材料的比沖擊總吸收能量Et/p分別是碳纖維、芳綸和E玻璃纖維的1.8,、2.6和3倍，其防彈能力比芳綸的裝甲結構高2.5倍。UHMWPE纖維的沖擊強度幾乎與尼龍相當，在高速沖擊下的能量吸收是芳綸（PPTA）纖維、尼龍纖維的兩倍。這種性能非常符合制作防彈材料。（3） 極好的彎曲性能超高分子量聚乙烯纖維具有極好的彎曲性能，能不斷裂地形成針織線圈和打結頭。而玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維的彎曲性能較差。對各種纖維加工性能進行比較，超高分子量聚乙烯具有很高的勾結強度和成環強度，UHMWPE

5、纖維比芳綸成圈性能更好。(4)纖維抗蠕變性能HSHMPE纖維的蠕變性能取決于使用環境的溫度和負荷情況,纖維在35和1g/d負荷狀態下的蠕變情況如表3所示,與常規得到的纖維相比,其抗蠕變性能已經非常杰出。（5）良好的抗濕性和抗化學腐蝕性能由于聚乙烯的化學結構簡單，因此耐腐蝕性能極好。用這種纖維制造的產品不會由于和酸、堿、污海水等接觸而損失其強度。UHMWPE纖維具有高度的分子取向和結晶，大分子截面積小，所以鏈間排列緊密，從而有效地阻止水分子和化學試劑的侵蝕，因此使其具有了良好的耐溶劑溶解性能。Spectra纖維在多種介質中，如水、油、酸和堿等溶液中浸泡半年，其強度可完全保留。Spectra纖維在

6、水中浸泡兩年，仍可保留原有的強度，還可防生物腐蝕。表18列出了Spectra纖維和Kevlar纖維在各種化學介質中的強度保留率。UHMWPE纖維大分子鏈上不含任何芳香環、氨基、羥基或其它易受活性試劑攻擊的化學基團，結晶度又高，因此在各種苛性環境中強度均保持在90以上，而芳綸在強酸、強堿中下降則很大。表19給出了在室溫條件下高強高模聚乙烯纖維耐化學性能的實測數據。結果表明，高強高模聚乙烯纖維經強酸作用一周后，其強度不變，模量損失10%；一個月后強度損失5%，模量損失10%。相比之下，雖然開始階段模量稍有變化，但隨著時間的增長，沒有進一步變化的趨勢。（6）耐磨性能材料的耐磨性能一般隨著模量的增大而

7、減小，但對于UHMWPE纖維，趨勢卻相反，這是因為它的摩擦系數低所致，故而其具有很高的耐久性。Spectra900PE纖維繩子的破斷循環數n比芳綸高8倍，耐磨性和耐彎曲疲勞強度也比芳綸高適合做繩索。由于它的易加工性，在工業方面有很好的應用前景。UHMWPE的耐磨性能居塑料之冠，比碳鋼、黃鋼還耐磨數倍，它的耐磨性是普通聚乙烯的數十倍以上，并且隨著相對分子質量的增大，其耐磨性能還進一步提高，但當相對分子質量達到一定數值后，其耐磨性能不再隨相對分子質量的增大而發生變化。（7）電絕緣和耐光性能UHMWPE纖維增強復合材料的介電常數和介電損耗值低，反射雷達波很少，因此對雷達波的透射率高于玻璃纖維復合材料

8、。聚乙烯材料的介電常數的和節電損耗值這兩個值最小，適用于制造各種雷達罩。此外，UHMWPE的介電強度約為700kV/mm，能抑制電弧和電火花的轉移。圖114是各種纖維耐光性的比較，十分明顯，UHMWPE纖維的耐光性是圖中所有纖維中最好的。與芳綸纖維相比，UHMWPE纖維的斷裂強度在長時間光照作用下依然有很高的保持率。芳綸纖維不耐紫外線，使用時必須避免陽光直接照射，而聚乙烯纖維由于化學結構上的優勢，是有機纖維中耐光性最優異的纖維，即使經過1500h光照之后，UHMWPE纖維的強度保持率還有68%左右，而其他纖維均在50%以下。(8) 耐切割性能高強高模聚乙烯纖維（商品名為Certran）具有良好

9、的耐切割性能，與Kevlar29和Spectra1000的耐切割性能相當，可應用于加工制作防切割工作服等。由于該纖維比Kevlar29的加工工藝流程短、無溶劑回收問題、設備投資少、價格低，因此將會在制作防切割紡織品等方面受到重視。(9) 耐高能輻射性能超高分子量聚乙烯纖維在受到贛能輻射，如電子射線或r射線的照射時，分子鏈會發生斷裂，纖維強度會降低。有研究表明，當對射線的吸收劑量達到1*102kj/kg時，會對纖維的性能產生顯著的影響，但當吸收劑量高達3*106kj/kg時，纖維還可以保持可用的強度，因此，在UHMWPE纖維正常生產和存儲期間，無須對日照進行特殊防備。(10) 耐低溫超高分子量聚

10、乙烯纖維在液氦溫度（-269）下仍具有延展性，而芳綸到-30便失去了防彈性能；超高分子量聚乙烯纖維在液氮中（-195），也能保持優異的沖擊強度，這一特性是其他塑料所沒有的，因而他能夠用作核工業的耐低溫部件。(11) 優越的能量吸收性能UHMWPE纖維是玻璃化轉變溫度較低的熱塑性纖維，韌性很好，能在塑性變形過程中大量吸收能量；纖維的模量非常高，具有較低的伸長率，斷裂所需的能量很大。因此，它的復合材料在高應變率和低溫下仍具有良好的力學性能，抗沖擊能力比碳纖維、芳倫纖維及一般玻璃纖維復合材料高。該纖維復合材料的比沖擊總吸收能量Et/分別是碳、芳倫和E玻璃纖維的1.8，2.6和3倍，其防彈能力是芳倫纖

11、維的裝甲結構高2.5倍。這些性能被用于彈道保護產品和防切割、防沖擊產品上。(12) 低的介電常數和介電損耗 UHMWPE纖維的介電常數和介電損耗值低，在各種制作復合材料的纖維中最小，反射雷達波最小，因此對雷達波的透射率很高，這個性能常被用來制作各型雷達的外罩。（13）耐紫外線能力強 芳倫纖維不耐紫外光，使用時必須避免陽光直接照射，而UHMWPE纖維是有機纖維中耐光性最優異的纖維。同樣經紫外光照射1500小時，該纖維的強度保持率在90%左右，而芳倫纖維只有30%。 (14) 熱性能普通聚乙烯纖維的熔點為134左右，UHMWPE纖維的熔點比其高1020。所測的熔點值與施加在被測纖維上的張力有關，張

12、力愈大熔點愈高。UHMWPE纖維的最高使用溫度為80100。但在稍高溫度短時間下仍能保持原有性能，這一點對用于復合材料時的加工非常重要。纖維力學性能與使用加工溫度有關，在80溫度下，強度、模量約下降30，在低溫（-30）下強度和模量隨之升高。熱處理（130，3h）后，強度和模量均為未經處理纖維的80。另外，高強聚乙烯纖維增強塑料的熱傳導率也很高，同鋼一樣高。(15) 其他性能UHMWPE 纖維在高溫和張力下使用會發生蠕變。蠕變行為的大小與凍膠紡絲中使用的溶劑種類有關，若使用的溶劑為石蠟油、石蠟，則由于溶劑不易揮發易殘存于纖維內，蠕變傾向顯著；而用揮發性溶劑十氫萘時，則所得纖維的蠕變性能極大地改

13、善。另外，UHMWPE 纖維質輕（特別低的比重），UHMWPE 是世界上唯一一種密度比1.0 還低的超級纖維，其比重為0.97，比水還輕，這種纖維能浮于水上。UHMWPE 纖維除具有上述性能外，還具有其它優異的物性。（二）用途介紹高強高模聚乙烯纖維除在現代化戰爭、宇航、海域、防御裝備等方面發揮重要作用外。由于超高分子量聚乙烯纖維具有眾多的優異特性，它在高性能纖維市場上，包括從海上油田的系泊繩到高性能輕質復合材料方面均顯示出極大的優勢。 1、國防軍需裝備方面   由于該纖維的耐沖擊性能好，比能量吸收大，在軍事上可以制成防護衣料、頭盔、防彈材料。如直升飛機、

14、坦克和艦船的裝甲防護板、雷達的防護外殼罩、導彈罩、防彈衣、防刺衣、盾牌等，其中以在防彈衣中的應用最為引人注目。超高分子量聚乙烯纖維復合材料的比彈擊載荷值u，p是鋼的l0倍，是玻璃纖維和芳綸的2倍多。國外用該纖維增強的樹脂復合材料制成的防彈、防暴頭盔已成為鋼盔和芳綸增強的復合材料頭盔的替代品。 防彈防護方面的應用：UHMWPE纖維在安全防護用品領域的應用集中體現了UHMWPE纖維的優異性能，UHMWPE纖維復合材料的抗沖擊韌性很好，比沖擊吸收能量是高級復合材料中最高的。防護用品包括防彈用品、防刺用品、防割（含防劃傷）用品。防護用品是目前高強高模聚乙烯纖維的主要領域，單是UD布的生產就使

15、用了高強高模聚乙烯纖維總量的45%以上，UD布是生產防彈衣、防刺服、防彈板、防彈裝甲的核心材料，其中最主要的產品是軟質防彈衣。高強高模聚乙烯纖維防護用品與芳綸、碳纖維防護用品，以及陶瓷、鋼鐵、合金防護用品相比，在保證防護性能的前提下，大大降低了防護用品質量。例如用于頭盔可減重400g 左右，相當于殼體重的30%40%，可大大減輕使用人員的負擔，所以深受歡迎。在輕質裝甲方面，高強高模聚乙烯纖維有很好的應用前景，如可用于直升機防護裝甲、坦克裝甲、裝甲車裝甲等，僅裝甲一輛坦克或裝甲車就需要UD產品400kg或更多，如果能推廣使用，用量將十分可觀。隨著軍備水平的提高，對高強高模聚乙烯纖維的需求也將越來

16、越多。高強高模聚乙烯纖維防護用品的使用溫度可低至零下150，已經超出地球低溫極限，而芳綸在零下30就會失去防彈性能，因此在高寒地區，高強高模聚乙烯纖維產品是防護用品的首選。它具有輕柔的優點，現已成為占領美國防彈背心市場的主要纖維。用UHMPE纖維制生產的安全帶與一般纖維生產的產品相比,具有更高的撕裂強度;由于UHMWPE纖維的伸長較小,可以限制沖撞時乘客的移動量,尤其UHMWPE纖維所具有的耐磨損性、耐光性、耐水性及耐寒性,提高了安全帶的使用壽命;另外,由于具有較高的強度,可以減少纖維的用量,使安全帶的厚度減少,易于卷人收縮器,且手感柔軟,佩戴舒適。利用UHMWPE纖維的超高強力、質輕以及良好

17、的耐老化性,可以提高建筑物外防護網的安全系數和使用壽命。2、航空航天方面的應用  在航天工程中，由于該纖維復合材料輕質高強和抗沖擊性能好，適用于各種飛機的翼尖結構、飛船結構和浮標飛機等。以其制成的武裝直升機和戰斗機的殼體材料還具有優異的防彈性能。該纖維也可以用作航天飛機著陸的減速降落傘和飛機上懸吊重物的繩索，取代了傳統的鋼纜繩和合成纖維繩索，其發展速度異常迅速。 3、民用方面 (1)繩索、纜繩方面的應用：繩、纜、索類的重要指標之一是破裂強度。高強高模聚乙烯纖維的破裂強度大大高于其他高強度纖維，可制作各種捻制編制的耐海水、耐紫外線、不會沉浸而浮于水面的工具

18、，用該纖維制成的繩索、纜繩、船帆和漁具適用于海洋工程，是UHMWPE纖維的最初用途。UHMWPE纖維具有輕質高強、使用周期長、耐磨、耐濕、斷裂伸長大等特性，而普遍用于負力繩索、重載繩索、救撈繩、拖拽繩、帆船索和釣魚線等。用此纖維制成的直徑1cm的繩索斷裂強度達120kN，與鋼絲繩相比，重量減少50%，強度卻能提高15%，壽命是鋼絲繩幾倍，使用及存放方便，有著廣闊的前景。傳統船用纜繩一般采用滌綸、錦綸和丙綸工業絲，國內生產使用較多的是錦綸纜繩和丙綸纜繩，兩者約各占一半。采用UHMWPE纖維用于制造替代上述品種的纜繩，其成品不僅能克服丙綸制品易老化而導致強度迅速下降的一系列問題，還由于其密度小于水

19、及其他纖維，從而解決了滌綸和錦綸纜繩操作重量大、沉入水中易纏繞螺旋槳而引起事故等各種難題。荷蘭DSM公司的UHMWPE纖維用于制造纜繩的要占總產量的40%，說明繩索是UHMWPE纖維應用的重要領域。國內目前船用纜繩的年需求量接近10000噸。隨著我國經濟發展水平的提高，高性能纖維制造的船用纜繩必將逐步替代現用船纜。（2）漁網：目前合成纖維已成為制作漁網的最普遍的材料。國內用于織網的原料以錦綸和普通聚乙烯纖維為主，錦綸漁網絲年用量6000噸，聚乙烯年用量在2000030000噸之間。在網線強度相同的條件下，用UHMWPE纖維加工成的漁網重量比普通聚乙烯纖維漁網輕50%以上，或同樣重量的纖維可制造

20、更大尺寸的網具，使其每平方米的拉網阻力減少40%，即在同等功率的船只上可使用開口面積更大的拖網，使捕魚效率提高80%。（3）體育器材用品：UHMWPE纖維可用于作各類球拍、安全帽、滑雪板、帆輪板、釣竿、沖浪板和自行車骨架材料的增強材料，也可直接用于制作釣魚線和球拍弦。由于UHMWPE纖維復合材料比強度、比剛度高，韌性和損傷容限好，因此制成的運動器械既輕又耐用。此類休閑、消遣類產品隨著生活水平的提高，需求量呈不斷上升的趨勢。（4）醫用高分子材料：高強高模聚乙烯纖維的生物相容性和耐久性都較好，化學穩定性好，不會引起人體的過敏反應和生物排斥反應，作為生物醫用材料已成功應用于牙托材料、醫用移植物和醫用

21、縫合線及人造器官，例如人造關節，人造韌帶，人造肢體以及組織支架、輸血泵等方面。在股關節中，高強高模聚乙烯纖維作為髖臼部件，在髖臼的凹處為金屬、陶瓷股骨頭旋轉、往復運動提供活動空間。在膝關節中，高強高模聚乙烯纖維主要作為襯墊材料，承載上下骨的摩擦與運動；目前結合高強高模聚乙烯纖維擠出和計算機控制的堆積成型技術，可以制備形狀復雜且具有多孔的支架材料，如現在已經成功開發出熔融堆積方法生產的人耳組織支架；將高強高模聚乙烯纖維作為血液泵的材料，經測試無生物毒性并且可以長期使用。高強高模聚乙烯纖維與乙烯、丁烯和苯乙烯彈性體共混作為血液袋可以耐-196溫度，并且在低溫下保持良好的塑性。（5）工業上：該纖維及

22、其復合材料可用作耐壓容器、傳迭帶、過濾材料、汽車緩沖板等；建筑方面可以用作墻體、隔板結構等，用它作增強水泥復合材料可以改善水泥的韌度，提高其抗沖擊性能。 超高分子量聚乙烯纖維目前屬世界范圍內的稀缺物資，世界年需求量約5萬噸，其中美國占70%。但目前全世界產量不足10000噸，缺口很大。據國內外專家預測，未來10年內每年超高分子量聚乙烯纖維的市場年需求量將在l0萬噸以上，市場潛力巨大，前景廣闊。薄膜:以板材為基礎，高強高模聚乙烯纖維經切削加工可制成厚度在1mm以下的薄膜。高強高模聚乙烯纖維薄膜具有非常穩定化學性質，具有優秀的耐溶劑、抗腐蝕性，還具有優良的疏水性，耐沖擊性和耐磨損性。管材

23、:高強高模聚乙烯纖維管材在2001年被科技部列為國家科技成果重點推廣計劃，屬化工類新材料、新產品，同時將高強高模聚乙烯纖維管材列為當前優先發展的高科技產業重點領域項目。高強高模聚乙烯纖維管材作為一種高耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐低溫、自潤滑、不結垢、內壓強度高、噪音小、無毒、輕便的新型塑料管材，是固體、液體、氣體三態物質均可輸送的高性能工程塑料管材。如高強高模聚乙烯纖維管道優異的耐化學腐蝕性和耐環境應力開裂性，使其在各油田得到廣泛的應用，同時解決了管道腐蝕的問題。（6）其它復合材料的應用： UHMWPE纖維及其復合材料在此方面具有巨大的發展潛力，因而成為世界材料界矚目的一種高技術材料。專家學者通過

24、研究開發，大大拓寬了其應用領域。高強高模聚乙烯纖維及其織物經表面處理后，可改善其與聚合物樹脂基體的粘合性能，從而達到增強復合材料的效果。這種材料的質量大幅度減輕，沖擊強度較高，消震性明顯改善。此外，用高強高模聚乙烯纖維增強的復合材料具有較好的介電性能，抗屏蔽效果也優異，因此，可用作無線電發射裝置的天線整流罩、光纖電纜加強芯、X光室工作臺。表1-14列出了Dyneema 復合防彈板在不同類型軍用彈種下的實驗參數。表1-15列出了用不同高性能纖維制備的軍用頭盔的防彈性能。其他復合材料的應用。（a）極低溫材料：近年來，日本東洋紡公司利用Dyneema纖維復合材料(DFRP)的耐極低溫性將它應用于超導設備、電力、車輛和醫療領域。過去在電力領域一直期待采用超導線圈，但繞于卷框上的導體會產生熱收縮及與卷框間的摩擦熱，從而破壞了超導狀態，使線圈無法發揮正常功能，而改用DFRP卷框后，由于可耐溫-196-269 ，因此可解決此問題。東京電力公司與東芝公司共同開發的限流器交流線圈的卷框，自1994年起改用了DFRP制品，使用效果良好。在醫療器械、傳感器的支承柜等領域采用DFRP材料，可降低占制造成本90%以上的加工費用。（b）高性能的薄壁高壓容器：由于UHMWPE纖維的抗拉強度高，抗化學腐蝕和抗溶解性能好，以其為原料通過纏繞或手糊的方式制成的復合材料可制成耐壓容器，適用于存貯各種氣體或液體介