超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维,又称高强高模聚乙烯纤维,是目前世界上比强度和比模量最高的纤维,是由分子量为100万~ 500万的聚乙烯纺成的纤维。
目前世界上三大高性能纤维是芳纶、碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维。目前,由于技术问题,我国仅少量生产芳纶纤维。碳纤维还处于试验和初级生产阶段,其产品只能用于耐磨填料等领域。自1994年UHMWPE纤维在依桐突破关键生产技术以来,我国已形成多个UHMWPE纤维工业生产基地。
运行特性
1.高比强度和高比模量。比强度是同截面钢丝的十几倍,比模量仅次于特级碳纤维。
2.纤维密度低,密度为0.97-0.98克/立方厘米,能漂浮在水面上。
3.断裂伸长率低,断裂功高,吸能能力强,具有突出的抗冲击性和耐切割性。
4.抗紫外辐射,中子和伽马射线,高比能量吸收,低介电常数和高电磁波透过率。
5.耐化学腐蚀,耐磨,弯曲寿命长。
物理属性:
密度:0.97 ~ 0.98克/立方厘米。它比水密度小,能浮在水面上。
强度:2.8 ~ 4n/tex。
模量:91 ~ 140 n/tex。
延伸:3.5% ~ 3.7%。
吸收能几乎是间位芳纶的两倍,耐磨性好,摩擦系数小,但应力下熔点仅为145 ~ 160℃。
国内外研发现状
目前国外超高分子量聚乙烯纤维的三家公司,帝斯曼(荷兰)、霍尼韦尔(美国)、东洋博(日本)均可实现产业化,年产量不到9000吨。
欧美和日本的UHMWPE纤维在使用结构上有所不同。主要用于欧美的防弹衣和武器装备,占总量的60% ~ 70%,其次是绳索和缆绳20%,渔网5%,劳保5%。日本主要用于绳索、渔网、防护,尤其是防切割手套。其在汽车生产涂装过程中的应用已达到UHMWPE纤维总需求的1/4。
自1985年以来,我国开始了超高分子量聚乙烯纤维的研究。东华大学、盐城超高分子材料工程技术研究院加入研发行列,取得一系列重大理论突破。一些企业立即投入中试和小规模工业生产。到目前为止,通过不懈的努力,他们的纤维性能已经达到了具有自身特点的国际中等水平,部分已经进入规模化生产阶段。目前,UHMWPE纤维的国内生产厂家有五家,分别是上海化学研究院、郑州安泰防护科技有限公司、北京通益众特种纤维技术开发有限公司、湖南中泰特种设备有限公司、宁波大成新材料有限公司、山东艾迪高分子材料有限公司,均取得了很大的成就。此外,还有无锡富坤化工有限公司、九江中科新兴新材料有限公司、上海连乐化工科技有限公司、安徽特佳金精细化工有限公司
应用领域
国防
由于其良好的抗冲击性能和较大的比能量吸收,该纤维可在军事上制成防护服、头盔和防弹材料,如直升机、坦克和舰船的装甲板、雷达保护壳罩、导弹罩、防弹背心、防刺服和盾牌,其中防弹背心的应用最为引人注目。它具有比芳纶纤维柔软、防弹效果更好的优点,目前已成为占据美国防弹背心市场的主要纤维。此外,UHMWPE纤维复合材料的比冲击载荷U/p是钢的10倍,是玻璃纤维和芳纶纤维的2倍以上。国外用这种纤维增强树脂复合材料制成的防弹和防暴头盔已经成为头盔和芳纶增强复合材料头盔的替代品。
航空/方面
在航空航天工程中,由于其重量轻、强度高、抗冲击性能好,这种纤维复合材料适用于各种飞机翼尖结构、航天器结构和浮筒飞机等。这种纤维还可以作为航天飞机着陆的减速伞和飞机上悬挂重物的绳索,取代传统的钢丝绳和合成纤维绳,发展速度极快。
民事方面
(1)绳索和缆绳的应用:这种纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具适用于海洋工程,这是这种纤维的最初用途。广泛用于负绳、重绳、打捞绳、拖绳、帆船绳、钓鱼线等。这种纤维制成的绳索在自重下的断裂长度是钢丝绳的8倍,芳纶纤维的2倍。该绳用于超级油轮、海上作业平台、灯塔等的系泊锚索。解决了以往由于钢缆的腐蚀和尼龙、聚酯电缆的腐蚀、水解、紫外线降解导致电缆强度降低、断裂,需要经常更换的问题。
(2)体育器材和用品:在体育用品中,制作了头盔、滑雪板、帆轮、鱼竿、球拍和自行车、滑板、超轻飞机部件等,性能优于传统材料。
(3)用作生物材料:纤维增强复合材料用于牙托材料、医用植入物、塑料缝线等方面,具有良好的生物相容性和耐久性,稳定性高,不过敏,已在临床上得到应用。它也用于医用手套和其他医疗措施。
(4)在工业上,纤维及其复合材料可用作耐压容器、传送带、过滤材料、汽车缓冲板等。建筑物可以用作墙壁、分隔结构等。当用作增强水泥复合材料时,可以提高水泥的韧性和抗冲击性。
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