超高分子量聚乙烯纖維與連續玄武巖纖維

文/中國產業用紡織品行業協會 趙東瑾

超高分子量聚乙烯纖維與連續玄武巖纖維

文/中國產業用紡織品行業協會 趙東瑾

UHMWPE是目前世界上比強度和比模量最高的纖維；而CBF具有綜合性能好、性價比高的特點

超高分子量聚乙烯纖維

名詞解釋

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，又稱高強高模聚乙烯纖維，是目前世界上比強度和比模量最高的纖維，是分子質量在100萬～500萬的聚乙烯所紡出的纖維。它與芳綸（對位芳綸PPTA、間位芳綸PMIA）、碳纖維（CF）并稱為當今“世界三大高科技纖維”。由于UHMWPE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，在現代化戰爭和航空、航天、海域防御裝備等領域也發揮著舉足輕重的作用。

UHMWPE纖維是我國唯一具有國際競爭力的高性能纖維，加大國產化工藝技術的開發和研究，對打破國外對我國相關產業的技術壟斷，及對促進和引導我國紡織工業結構調整、提高產品附加值有著重要意義。

獨特性能

UHMWPE纖維一個突出優點是質輕，密度為0.97g/cm3，在所有高性能纖維中密度最小，是唯一能夠漂浮在水面上的高科技纖維。UHMWPE纖維的優越性在于其具有亞甲基相連（－CH2－CH2－）的超分子鏈結構，沒有側基，結構對稱、規整，單鍵內旋轉位壘低，柔性好。相關研究表明，即使在-150℃的環境下，仍保持良好的耐撓曲性，無脆化點。由于UHMWPE纖維大分子鏈結構規整，纖維沿軸向高度取向，結晶度高，因此賦予其優良的力學性能。

UHMWPE纖維模量很高，具有突出的抗沖擊性和抗切割性能，抗拉強度是同等線密度鋼絲的15倍，比芳綸還高40%，是普通纖維和優質鋼纖維的10倍，僅次于特級碳纖維。由于UHMWPE纖維分子結構（－CH2－CH2－）不含易與接觸物質發生反應的羥基、芳香環等基團，因此具有化學和光學惰性。

強酸、強堿及有機溶劑均對UHMWPE纖維強度幾乎沒有任何影響，化學穩定性極好；而且，在經1500h日曬后，纖維強度仍高達80%，耐候性、耐紫外性能特別優越。此外，UHMWPE纖維還有良好的耐磨性與生物共存性。

UHMWPE纖維由于其獨特的優異性能，在安全防護、航空航天、國防裝備、造船業等領域發揮著舉足輕重的作用，其纖維長絲可直接用作防彈、繩纜、高壓容器材料，其纖維增強復合材料可用于船舶及飛機骨架結構、運動器械、人造關節等材料。當然，由于UHMWPE纖維分子鏈結構單一的特征，也使得該纖維耐蠕變性能差，在受到長時間外力作用時，分子鏈之間易滑移，產生蠕變。另外，該纖維還具有表面加工困難，不易染色，不易與其他材料粘接等缺點。

UHMWPE纖維在高性能纖維中強度、模量僅次于碳纖維。斷裂伸長率比碳纖維、芳綸都要高，柔韌性好，在高應變率和低溫下力學性能仍然良好，抗沖擊能力優于碳纖維、芳綸及一般玻璃纖維，是一種非常理想的防彈、防刺安全防護材料。其復合材料比沖擊總吸收能量分別是碳纖維的1.8倍，芳綸的2.6倍，E玻璃纖維的3倍。其復合材料的防彈能力是芳綸裝甲結構的3.6倍，防彈頭盔是效果相同的芳綸纖維頭盔質量的2/3。

當然，UHMWPE纖維也存在很明顯的缺點：不耐高溫，這是由于UHMWPE纖維分子鏈無側基，分子鏈間作用力以范德華力為主，流動活化能小，熔點低，小于160℃。另外，抗壓縮和抗蠕變性能也較差，并且樹脂浸潤性較差，有較高的可燃性，這就限制了UHMWPE纖維的使用范圍。

高性能深海無結經編絞捻網片。

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)。

生產工藝

自20世紀70年代起，國外許多企業、研究機構經歷數十年的研究，探索出了多種生產UHMWPE纖維技術路線，有熔融紡絲—高倍熱拉伸法、凝膠紡絲—高倍熱拉伸法、表面結晶生長法、Porter固體擠出法等。研究表明，制備UHMWPE纖維的關鍵是提高拉伸倍數，這樣有助于提高纖維的結晶度與取向度，使呈折疊鏈狀的片晶結構向伸直鏈結構轉化，從而極大地改善纖維強度和模量。

目前，熔融紡絲和凝膠紡絲（又稱凍膠紡絲法）是世界上工業化生產的主要方法。20世紀80年代后期，美國Hoechst-Celanese公司成功取得UHMWPE纖維熔融紡絲—高倍熱拉伸技術，商品定名“Certran”；隨后意大利的Snia公司也開發了類似纖維。缺點是熔融紡絲法制得的纖維性能低于凝膠紡絲法的纖維性能，因此未能得到更大發展。目前世界上最成功的UHMWPE纖維工業化生產方法是凝膠紡絲—高倍熱拉伸工藝，世界上UHMWPE纖維的主要生產商荷蘭DSM、美國Honeywell、日本Mitsui和我國均采用凝膠紡絲工藝。凝膠紡絲法，近些年來國外和國內各公司分別從改變溶劑和萃取劑、改進溶脹工藝、改進萃取工藝等多方面進行了改良，形成具有各自知識產權的生產工藝。UHMWPE凝膠紡絲工藝主要有兩大類：一類是干法工藝路線，即高揮發性溶劑干法凝膠紡絲工藝路線；另一類是濕法工藝路線，即低揮發性溶劑濕法凝膠紡絲工藝路線。

采用的溶劑和后續工藝是這兩種工藝路線的最大區別，由于兩類溶劑特性區別大，從而后續溶劑脫除工藝也完全不同，各有優勢。

國內以石蠟油為溶劑的濕法路線目前較為成熟，而且國際上有關石蠟油為溶劑的工藝專利已過期，以十氫萘為溶劑的工藝仍涉及到侵權問題。而以石蠟油為溶劑的工藝又有工藝實施方式和設備配置的區分，因此設備投資差距也較大。

常熟繡珀纖維有限公司將凝膠原絲依次經萃取、干燥及熱拉伸過程，生產的UHMWPE纖維纖度低，抗斷裂強度高，生產成本低，于2010年獲得國家專利。

東華大學開發了高濃度原液紡絲技術，將聚乙烯原料和溶劑與抗氧劑混合加熱形成凝膠塊，經粉碎、去溶劑得到聚乙烯的紡絲原料，再經過螺桿熔融后擠出紡絲，預拉伸卷繞，再通過萃取、干燥和熱超倍拉伸工藝制得UHMWPE纖維產品，并建成了單線年產250 噸的生產線。該工藝不僅對紡絲過程嚴重降低相對分子質量和螺桿效率低的問題得到改善，又彌補了現有技術毒性與污染大和生產成本高的不足。

寧波大成新材料科技有限公司（以下簡稱寧波大成）發明了混合溶劑的凝膠紡絲技術，以分子質量高達400萬以上的聚乙烯為原料，制備高濃度紡絲原液，采用雙螺桿擠壓均化技術，多輥多組超倍牽伸技術，確保了UHMWPE纖維拉伸倍數超過45倍、直徑偏差率低于5%。寧波大成的UHMWPE纖維制成的防彈衣指標已達到國際先進水平。

2009年11月，儀征化纖、南化集團及中國紡織科學研究院聯合開發了產能300噸/年的UHMWPE纖維的干法紡絲成套技術，填補了國內UHMWPE纖維干法生產工藝的空白。但與荷蘭DSM公司等世界先進的UHMWPE纖維廠商技術比較，我國的干法紡絲技術和產品質量還存在一定差距，表現在單線產能、產品強度和均勻性等方面有待改進。之前，國內外產能狀況UHMWPE纖維全球產能分布高度集中，世界上工業化生產UHMWPE纖維的企業主要是荷蘭的DSM、美國Honeywell和日本Toyobo三大公司。

隨著我國取得自主知識產權，如今我國的UHMWPE纖維生產技術也得到快速提升。目前，世界UHMWPE纖維總生產能力為34800噸/年左右，其中荷蘭生產能力約為6000噸/年，美國生產能力約為3000噸/年，日本生產能力約為3200噸/年，中國的生產能力約為21600噸/年，已經占世界UHMWPE纖維總產能的62%。

應用領域

作為世界三大高性能纖維之一的UHMWPE纖維，比強度是優質鋼材的15倍，是碳纖維的2.6倍，是芳綸的1.7倍，是玻璃纖維和尼龍66的4倍。具有良好的耐化學性、耐海水腐蝕性、耐摩擦性、耐切割性、生物相容性等，廣泛用作防彈、防割、繩索、加固等材料，主要用途有以下幾個方面。

上圖：超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE) 汽車絞盤繩。

下圖：高強度繩索，多色超高分子量聚乙烯纖維繩索。

海洋產業

UHMWPE纖維具有高強高模、耐腐蝕、耐磨損、耐光照、柔韌性好的特征，是制造繩纜的優秀材料。由于質量輕，密度只有0.97g/cm3，是高性能纖維中密度唯一小于1g/cm3可漂浮于水上的纖維，用其制造的繩索可漂浮于水上；UHMWPE纖維繩索強度更高，在自重下的斷裂長度是鋼繩的8倍，是芳綸繩的2倍；UHMWPE纖維耐光性好，在日光照射1500h后強度仍能保持在80%以上，但芳綸經日光照射后強度會急劇下降；UHMWPE纖維化學穩定性好，在海水中能有效解決鋼繩的銹蝕問題和尼龍、聚酯纜繩在海水中的水解和紫外降解問題，因此，UHMWPE纖維繩索尤其適用于船只和海洋工程。

另外，UHMWPE纖維制成的釣魚線，其高模高強的優勢能傳遞深海幾百米深的魚上鉤的信息，特別是甩鉤使用的釣魚線比同類產品更細，空氣阻力小，拋投距離長，深得用戶好評。UHMWPE纖維制成的漁網比相同強度下普通的纖維要輕至少40%，無吸水性、耐紫外線、強度高，網絲細，加工成養殖網箱固定性好，力學性能好，有效地防止了食肉魚對經濟魚的獵殺，降低了養殖成本。用作拖網阻力小，減少漁船能耗，提高了捕撈效率。利用UHMWPE纖維高強質輕、柔韌、耐海水腐蝕和紫外降解的特性，在海洋產業中廣泛用作深?？癸L浪網箱、自力繩索、重載繩索、救撈繩、拖拽繩、帆船索、船帆、漁具、超級油輪、海洋操作平臺、燈塔等固定錨繩等方面。目前，國內外海事管理部門已經相繼出臺相關政策，要求出海船只對重達100kg的UHMWPE纖維繩纜至少配備一條，替代傳統鋼繩。據預測，UHMWPE纖維在海洋產業領域的年需求量在5000噸/年。

左圖：大成高性能軟質防彈衣 最新款反恐反暴軟質防彈防刺服。

右圖：彩色高強高模聚乙烯纖維、高強度聚乙烯纖維。

安全防護

安全防護用品是目前UHMWPE纖維的主要應用領域，單是用于生產防彈衣、防刺服、防彈板、防彈裝甲的核心材料的防滲透布（LID）的生產就占UHMWPE纖維總量的45%以上。除單向布外，還有非織造布、各種機織、針織材料也可用于防彈、防刺服的生產。據預測，在國防軍工和安全防護產品領域的年需求量在6000噸/年以上。

UHMWPE纖維防護用品與芳綸、碳纖維及陶瓷、鋼鐵、合金類防護用品相比，在保證防護性能的前提下，UHMWPE纖維制成的防護材料超輕且能很好解決非貫穿性傷害。法國維和部隊配備的UHMWPE纖維制成的防彈衣和防彈插板全套重量不超過5kg，能夠完全能抵御北約5.56mm、俄制7.62mm突擊步槍普通彈的攻擊。

在輕質裝甲方面，UHMWPE纖維已用來制造軟質防彈衣、硬質防彈頭盔、運鈔車車體、防彈橡膠增強材料、坦克裝甲、裝甲車裝甲、直升機防護裝甲、雷達防護外殼、導彈罩、防切割手套、防割套袖等。據報道，裝甲一輛坦克或裝甲車就需要UHMWPE纖維單向UD材料400kg或更多，如果裝備一個師就要240噸。據預測，如果全國銀行系統保衛人員全部裝備該產品，UHMWPE纖維需求量將超過1000噸。

近年來，國內每年關于UHMWPE纖維在防切割手套行業的用量增長迅速，從2011年的1200噸增長到2014年的1860噸，UHMWPE纖維防切割手套的出口量也超過韓國，成為世界最大的UHMWPE纖維防切割手套出口國，出口占國內加工量的95%以上。據預測，2015年國內外UHMWPE纖維防切割手套纖維用量在3750噸，到2018年將達到5000噸，在未來5年防切割手套的年增長率將保持在10%以上。

體育用品

UHMWPE纖維復合材料比強度比模量高，韌性和損傷容限比傳統材料好，其制作的運動器械質輕且結實耐用，用UHMWPE纖維制作的網球拍、高爾夫球網、棒球網、滑雪板、沖浪板、擊劍服、賽艇、帆船、釣竿等體育用品，深得使用者的喜愛。據測算，該領域的年需求量在300噸/年。

建筑加固

UHMWPE纖維與普通加固增強材料相比，具有較好的增稠效果，有效抑制了輕骨料的上浮，提高了輕骨料混凝土的均勻化。高強高模的UHMWPE纖維可協同輕骨料受拉、抑制裂紋的擴展，有效提高了輕骨料混凝土的各項力學指標。摻混UHMWPE纖維的混凝土材料脆性低、韌性高，彎曲韌度系數是普通混凝土的14倍。常用作墻體、隔板結構、增強水泥復合材料、石棉水泥制品、建筑工程加固復合材料等，該領域的年需求量在300噸/年左右。

左圖：玄武巖纖維單向布。

右圖：玄武巖纖維復合筋。

航空航天

UHMWPE纖維質輕高強的特征，被應用于各種飛機的翼尖結構、飛船結構、飛機駕駛艙內壁、飛機座艙防彈門浮標飛機和航天飛機的著陸用減速降落傘等，在該領域的年需求量在200噸/年左右。

其他復合材料的應用

UHMWPE纖維的生物相容性、耐久性、化學穩定性好，不會引起人體的過敏反應和生物排斥反應，是制作牙科用絲線、醫用移植線、牙托材料、人造關節、人造韌帶、人造肢體等的優良材料，在醫療衛生領域的年需求量在100噸/年。UHMWPE纖維介電常數、介電損耗值小，電信號失真小，透射系數高，用于雷達罩基材均高于現用玻璃纖維的各方面性能參數，是制作高性能輕質雷達罩的首選材料。

UHMWPE纖維高強高模的性質及能耗的特點使得制成的高性能薄壁高壓容器，耐化學腐蝕，強度好，能用于存儲較為廣泛的氣體或液體介質。它的形狀轉化效率高達97%，耐壓容器性能系數比芳綸制品高45%。雖然UHMWPE纖維比強度、比模量在所用纖維中無可比擬，但存在不易染色，耐熱性差，與樹脂粘結性差的缺陷，用途受限。常常需要對其采用液態氧化法、等離子體處理法、輻射接枝處理法、電暈放電處理法、光氧化表面處理法、光致交聯處理法等方法進行表面改性。

連續玄武巖纖維

名詞解釋

連續玄武巖纖維（CBF）是前蘇聯經過了多年的研究開發而發明的高科技纖維。由于它性能優異、性價比好，應用領域廣泛，極具發展前景，尤其是最近幾年，中國也有了CBF的批量生產。因此，我們現在開展對CBF的研討活動是非常有現實意義的。CBF是以天然的火山噴出巖作為原料，將其破碎后加入熔窯中，在1450～1500℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續纖維。它與碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）等其他高科技纖維相比，具有很多獨特的優點，如力學性能佳，耐高溫性能好，可在-269～700℃范圍內連續工作，耐酸耐堿，抗紫外線性能強，吸濕性低，有更好的耐環境性能，此外，還有絕緣性能好、高溫過濾性佳、抗輻射、良好的透波性能等優點。

以CBF為增強體可制成各種性能優異的復合材料，可廣泛應用于消防、環保、航空航天、軍工、車船制造、工程塑料、建筑等軍工和民用領域，故被譽為 21世紀的新材料。近幾年來，由于CBF良好的綜合性能和性價比，越來越被材料界和用戶看好。

獨特性能

眾所周知，沒有一種纖維的性能或功能是可以“包打天下”的，每一種纖維都有它獨特的性能和應用的市場。而CBF具有綜合性能好、性價比高的特點，這是其他纖維所難以比擬的，堪稱21世紀無污染的“綠色工業材料”。

玄武巖纖維短切紗。

CBF的使用溫度范圍為-269～700℃（軟化點為960℃），而玻璃纖維為-60～450℃。CBF 在400℃下工作時，其斷后強度能夠保持85% ；在600℃下工作時，其斷后強度仍能夠保持80%的原始強度；如果CBF預先在780～820℃下進行處理，還能在860℃下工作而不會出現收縮，而即使耐溫性優良的礦棉此時也只能保持50%～60%的強度，玻璃棉則完全破壞。

C B F的 抗 拉 強 度 為3800～4800MPa，比大絲束碳纖維、芳綸、PBI纖維、鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都高，與S玻璃纖維相當。

以同屬硅酸鹽的火山噴出巖為原料制成的CBF，耐酸堿性強。試驗發現，CBF在飽和 Ca(OH)2溶液以及在水泥等堿性介質中耐久性好，能保持高度的穩定性，可代替鋼筋用作混凝土建筑結構的增強材料，制作橋梁等大型建筑的結構件。

利用CBF較高的抗拉強度和抗剪切強度這一特性，加之CBF具有天性的與水泥、混凝土的親和力和耐堿性，在建筑增強領域的應用已顯示出它獨特的優勢和發展潛力。

CBF的耐酸性超過了一般用作耐酸玻璃鋼增強材料的ECR玻璃纖維。而且玄武巖中含有質量分數不到0.2的導電氧化物，可能是氧化鐵、氧化鈦成分，使其具有了一定的吸波性能。

應用領域

美國德克薩斯州的CBF工業聯盟指出：“CBF是碳纖維的低價替代品，具有一系列優異性能，尤為重要的是，由于它取自天然礦石而無任何添加劑，是目前為止唯一的無環境污染的不致癌綠色健康玻璃質纖維產品。美國作為世界環境保護的倡導者，將全力發展無污染的綠色工業材料，所以CBF在復合材料的增強材料領域的應用，已引起廣泛的重視并將快速發展”。

軍工領域

CBF是21世紀在國防軍工領域有著非常重要應用潛力的一種高技術纖維。以CBF為增強體可制成各種性能優異的復合材料，在航空航天、火箭、導彈、戰斗機、軍艦、坦克等武器裝備的國防軍工領域有廣泛的應用，可促進軍隊武器裝備的升級換代，增強軍隊的戰斗力；可在某些領域替代碳纖維，節約相關武器裝備的制造成本；可形成新的軍民兩用技術，寓軍于民，有力推動我國重大高科技產業的形成。因此，開展CBF在國防軍工領域的應用研究有著十分重要的戰略意義和現實意義。

連續玄武巖纖維無捻粗紗。

汽車內飾領域

此外，CBF非織造材料在汽車內飾中的應用潛力巨大。汽車工業是纖維材料的一個巨大的市場。雖然現在汽車非織造材料主要使用聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維和天然纖維等，但是CBF的絕熱、隔音，尤其是其優良的過濾性能和阻燃性能是其他纖維所不能比擬的。

建筑領域

CBF將帶給建筑材料業一場革命。我國一些原來用聚丙烯纖維增強水泥混凝土的化學建材企業，積極采用CBF增強硅酸鹽水泥及其混凝土；另一些建筑加固企業采用CBF片材替代碳纖維用于建筑橋梁的加固、補強和修復，也取得了較好的效果。CBF在建筑行業的應用主要表現在以下幾個方面：

在混凝土增強領域的應用?，F在的混凝土增強材料主要有碳纖維、玻璃纖維、對位芳綸、鋼纖維和CBF。增強的主要目的是提高制品的抗拉強度和建筑工程的防滲抗裂等。從強度方面看CBF占有絕對的優勢，它的抗拉強度都高于以上增強材料，增強效果最好。從耐堿性方面看，CBF略遜于碳纖維和對位芳綸，但好于玻璃纖維和鋼纖維。從與混凝土的相容性來看，CBF與混凝土有著基本相同的成分，密度也較接近，所以CBF的相容性和分散性好于其他增強纖維。例如用CBF增強鐵路水泥枕木可解決其耐久性，尤其適合在青藏高原等氣候多變地區的使用。

在建筑修復、加固和更新領域的應用。碳纖維加固補強織物是一種高科技含量和高成本的產品。目前使用的補強材料是碳纖維和芳綸，主要是利用材料的強度和彈性模量。從強度方面，CBF的強度并不遜于碳纖維，且比芳綸高，雖然彈性模量不如碳纖維，但是在與樹脂的親合性上，CBF遠遠好于碳纖維和芳綸，有效地改善了補強效果和補強材料的使用壽命。尤其是CBF用于橋梁和立柱纏繞加固，其效果與使用碳纖維沒有差異。這一重大發現是東南大學土木工程學院通過CBF與碳纖維在同等條件下的對比實驗后得到的。從性價比看，CBF的價格大大低于碳纖維和芳綸，所以CBF有極大的競爭優勢，是碳纖維和芳綸加固抗震補強材料的首選替代產品。它可廣泛用于梁、柱、板、墻等結構的補強，也可用于橋梁、隧道、水壩等其他土木工程的加固，尤其是抗震加固。初步的應用研究證明，CBFRP（連續玄武巖纖維復合材料）的筋又是一種替代碳纖維、芳綸等連續纖維復合材料筋的新型建筑材料，可主要用于代替鋼筋，用于環境條件嚴酷的混凝土中，根本解決鋼筋銹蝕問題，提高混凝土結構的耐久性。

土工領域

采用土工格柵對路面進行加盤處理，已經成為道路建設的一個研究方向。土工格柵的主要作用是抗疲勞開裂、耐高溫車轍、抗低溫縮裂、延緩反射裂縫等。所以在高等級公路、大橋橋面、市政道路及機場路面等要求較高的道路工程廣泛應用。目前，土工格柵材料主要是玻璃纖維和塑料兩大類。CBF及其土工材料的各方面性能均好于以上兩種材料，主要優點是：抗拉強度高、延伸率好；無長期蠕變；熱穩定性好；與瀝青混合料的相容性強；理化穩定性好；耐低溫性好等。