超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的研究现状与分析特种防护圈
2025年01月17日 08:30上海1人摘要
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与碳纤维和芳纶纤维并称当今三大高性能纤维，具备低密度、高抗冲击性能、高断裂强度和模量的特性，同时拥有优异化学稳定性。本文综述了UHMWPE纤维及其复合材料的研究现状和最新进展，包括UHMWPE纤维和其他几种高性能纤维的性能对比，UHMWPE纤维的典型生产工艺及其对纤维性能的影响，与UHMWPE纤维匹配的树脂基体种类，提高纤维表面粘结性能、耐热性能和抗蠕变性能的改性方法，纤维织造与复合工艺及UHMWPE纤维及其复合材料的应用;最后分析了UHMWPE纤维及其复合材料当前存在的主要问题，探讨了未来可能的发展方向。
高性能纤维指具有特殊结构、性能或用途的纤维，一般定义的“高性能”为力学指标，要求断裂强度大于17.6cN/dtex；广义上，具有耐高温、耐辐照、耐腐蚀等特性的纤维也可以称作高性能纤维。近年来，高性能纤维在军事防护、航空航天、建筑等领域的应用需求越来越大，下游市场发展潜力十足，吸引了众多研究和投入，受到世界各国的高度重视。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和碳纤维、芳纶纤维三者并称世界三大高性能纤维材料，也是我国“十一五”规划开始重点发展的高科技项目和国家鼓励发展的特种纤维。碳纤维和芳纶纤维发展较早，国外(主要是日本和美国)的技术水平和产能均领先于我国，UHMWPE纤维是我国唯一具有国际竞争力的高性能纤维，2019年，国内UHMWPE纤维行业总产能4.10万吨，占全球总产能的60%以上。UHMWPE纤维的分子量通常在150万以上，分子主链为亚甲基相连的“C−C”结构，不含侧基，支链较少，对称性和规整性好。经过超倍拉伸之后，纤维内部的大分子链充分伸展排列，形成高度结晶和高度取向的超分子结构，这种特殊的结构赋予了UHMWPE纤维众多特殊性能，如超高的强度和模量和优异的化学稳定性等。
本文将UHMWPE纤维与对位芳纶纤维(PPTA)、碳纤维和玻璃纤维进行对比，总结了UHMWPE纤维性能的优劣。对比了常见UHMWPE纤维生产工艺、国内外生产现状及不同工艺选择对纤维性能的影响。对于UHMWPE纤维增强的复合材料，总结了常见的与UHMWPE纤维复合的热塑和热固性树脂，针对UHMWPE纤维与树脂基体界面结合力较低、耐热性能和抗蠕变性能较差的不足，总结并对比了常见的几种改性方法，并阐述了纤维织造及与树脂复合的工艺。最后，对UHMWPE纤维在民用和军事防护领域的应用做出了总结，并对后续研究方向进行了分析和展望。
01
UHMWPE纤维的性能
UHMWPE纤维与对位芳纶纤维、碳纤维和玻璃纤维的单丝性能对比如表1所示。
UHMWPE纤维是密度最小的高性能纤维，也是除聚丙烯纤维之外密度最小的常见纤维，其密度在0.97~0.98 g/cm3之间，仅为芳纶纤维的2/3，碳纤维的1/2，玻璃纤维的2/5，钢丝的1/8，可以漂浮在水上。极高的分子量(常见使用分子量500万左右的UHMWPE原料)、高取向和高结晶度的分子链结构赐予了UHMWPE纤维众多优异的性能，其单丝强度和比强度是当今所有纤维之最，相当于优质钢丝的15倍、芳纶纤维的1.7倍、碳纤维的2.6倍，比模量也远远高于碳纤维外的其他几种高性能纤维。UHMWPE纤维柔性的分子链使其具备良好的弯曲性能，结节、环结强度是芳纶纤维的1.5~2倍，碳纤维的20倍以上，加工性能优异，易于在各种条件下编织成复杂结构的织物。UHMWPE纤维的动静摩擦系数均低于其他几种高性能纤维，抗冲击能力强，且在低温下仍能保持良好的力学性能。
此外，UHMWPE纤维具备优异的耐腐蚀性，几乎不与任何酸、碱或有机试剂反应，在海水、煤油、甲苯、高氯乙酸、盐酸、硫酸等液体中浸润6个月，仍能够保持100%的强度，只有极少数的溶剂能使其发生轻度溶胀。UHMWPE的耐光、耐辐照性能同样良好，经过1500h光照之后，纤维仍能够保持60%左右的强度，同样条件下处理的其他常见纤维的强度保持率均在50%以下，芳纶纤维更是不到20%。
UHMWPE纤维也有不足
第一，由于UHMWPE纤维表面的高结晶度和非极性，其与树脂的粘结较差，界面结合力不足，受力易发生界面间的断裂、脱粘，导致复合材料的力学性能降低；第二，聚乙烯材料的熔点较低，仅在130℃上下，且拉伸条件下UHMWPE纤维的热老化速度较快，因此其最高使用温度一般在80~100℃之间，这限制了其在高温环境中的应用；第三，UHMWPE纤维的结构主链不含侧基，分子链之间作用力较弱，且分子链高度取向，在长时间受力情况下分子链间易发生滑移，出现受力下的伸长现象，抗蠕变性能不足。
2025年01月17日 08:30上海1人摘要
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与碳纤维和芳纶纤维并称当今三大高性能纤维，具备低密度、高抗冲击性能、高断裂强度和模量的特性，同时拥有优异化学稳定性。本文综述了UHMWPE纤维及其复合材料的研究现状和最新进展，包括UHMWPE纤维和其他几种高性能纤维的性能对比，UHMWPE纤维的典型生产工艺及其对纤维性能的影响，与UHMWPE纤维匹配的树脂基体种类，提高纤维表面粘结性能、耐热性能和抗蠕变性能的改性方法，纤维织造与复合工艺及UHMWPE纤维及其复合材料的应用;最后分析了UHMWPE纤维及其复合材料当前存在的主要问题，探讨了未来可能的发展方向。
高性能纤维指具有特殊结构、性能或用途的纤维，一般定义的“高性能”为力学指标，要求断裂强度大于17.6cN/dtex；广义上，具有耐高温、耐辐照、耐腐蚀等特性的纤维也可以称作高性能纤维。近年来，高性能纤维在军事防护、航空航天、建筑等领域的应用需求越来越大，下游市场发展潜力十足，吸引了众多研究和投入，受到世界各国的高度重视。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和碳纤维、芳纶纤维三者并称世界三大高性能纤维材料，也是我国“十一五”规划开始重点发展的高科技项目和国家鼓励发展的特种纤维。碳纤维和芳纶纤维发展较早，国外(主要是日本和美国)的技术水平和产能均领先于我国，UHMWPE纤维是我国唯一具有国际竞争力的高性能纤维，2019年，国内UHMWPE纤维行业总产能4.10万吨，占全球总产能的60%以上。UHMWPE纤维的分子量通常在150万以上，分子主链为亚甲基相连的“C−C”结构，不含侧基，支链较少，对称性和规整性好。经过超倍拉伸之后，纤维内部的大分子链充分伸展排列，形成高度结晶和高度取向的超分子结构，这种特殊的结构赋予了UHMWPE纤维众多特殊性能，如超高的强度和模量和优异的化学稳定性等。
本文将UHMWPE纤维与对位芳纶纤维(PPTA)、碳纤维和玻璃纤维进行对比，总结了UHMWPE纤维性能的优劣。对比了常见UHMWPE纤维生产工艺、国内外生产现状及不同工艺选择对纤维性能的影响。对于UHMWPE纤维增强的复合材料，总结了常见的与UHMWPE纤维复合的热塑和热固性树脂，针对UHMWPE纤维与树脂基体界面结合力较低、耐热性能和抗蠕变性能较差的不足，总结并对比了常见的几种改性方法，并阐述了纤维织造及与树脂复合的工艺。最后，对UHMWPE纤维在民用和军事防护领域的应用做出了总结，并对后续研究方向进行了分析和展望。
01
UHMWPE纤维的性能
UHMWPE纤维与对位芳纶纤维、碳纤维和玻璃纤维的单丝性能对比如表1所示。
UHMWPE纤维是密度最小的高性能纤维，也是除聚丙烯纤维之外密度最小的常见纤维，其密度在0.97~0.98 g/cm3之间，仅为芳纶纤维的2/3，碳纤维的1/2，玻璃纤维的2/5，钢丝的1/8，可以漂浮在水上。极高的分子量(常见使用分子量500万左右的UHMWPE原料)、高取向和高结晶度的分子链结构赐予了UHMWPE纤维众多优异的性能，其单丝强度和比强度是当今所有纤维之最，相当于优质钢丝的15倍、芳纶纤维的1.7倍、碳纤维的2.6倍，比模量也远远高于碳纤维外的其他几种高性能纤维。UHMWPE纤维柔性的分子链使其具备良好的弯曲性能，结节、环结强度是芳纶纤维的1.5~2倍，碳纤维的20倍以上，加工性能优异，易于在各种条件下编织成复杂结构的织物。UHMWPE纤维的动静摩擦系数均低于其他几种高性能纤维，抗冲击能力强，且在低温下仍能保持良好的力学性能。
此外，UHMWPE纤维具备优异的耐腐蚀性，几乎不与任何酸、碱或有机试剂反应，在海水、煤油、甲苯、高氯乙酸、盐酸、硫酸等液体中浸润6个月，仍能够保持100%的强度，只有极少数的溶剂能使其发生轻度溶胀。UHMWPE的耐光、耐辐照性能同样良好，经过1500h光照之后，纤维仍能够保持60%左右的强度，同样条件下处理的其他常见纤维的强度保持率均在50%以下，芳纶纤维更是不到20%。
UHMWPE纤维也有不足
第一，由于UHMWPE纤维表面的高结晶度和非极性，其与树脂的粘结较差，界面结合力不足，受力易发生界面间的断裂、脱粘，导致复合材料的力学性能降低；第二，聚乙烯材料的熔点较低，仅在130℃上下，且拉伸条件下UHMWPE纤维的热老化速度较快，因此其最高使用温度一般在80~100℃之间，这限制了其在高温环境中的应用；第三，UHMWPE纤维的结构主链不含侧基，分子链之间作用力较弱，且分子链高度取向，在长时间受力情况下分子链间易发生滑移，出现受力下的伸长现象，抗蠕变性能不足。
