高强高模-聚乙烯纤维工程技术

　　盐城市宏迭纺织器材有限公司 盐城超强高分子材料工程技术研究所 郭子贤

　　上世纪七十年代后期，以粉末状超高分子量聚乙烯为原料，采用全新的冻胶纺丝及超拉伸技术，制得了超高强高模的聚乙烯纤维，使化学纤维和化学纤维工业开始了新的飞跃。

　　超高分子量聚乙烯纤维具有优异物理机械性能，成为继碳纤维和芳纶之后出现的第三代高性能纤维。就强度而言，目前绳索可以吊起来的最大重量是同样粗细钢丝绳吊起的最大重量的八倍，是目前已经工业化的纤维中强度最高的纤维，此外，超高分子量聚乙烯纤维的密度小于碳纤维和芳纶，还具有优异的耐化学性和耐气候性，高能量吸收性，低导电性，防水性等特点。

　　鉴于上述性能，该纤维称为继碳纤维和芳纶之后又一种主要的高性能纤维，目前国际上只有荷兰DsM公司、美国霍尼维尔公司、日本东洋纺公司和中国等几家公司已形成工业化规模的生产。

　　我国于八十年代后期由东华大学率先提出对超高分子量聚乙烯纤维项目的研究与工业化，到九十年代后期相继出现r宁波大成、北京同益中、湖南中泰在东华大学研究的lT艺成果基础上进行r小试、巾试工业化生产开发。

　　时至今日，上述三家企业都已形成了规模产业化生产，但由于受到工艺和装备技术不成熟条件的限制，三家企业尽管都耗费了大量的人力、物力，也走上了效益化的生产道路，但由于二三家企业的工艺力式，设备配置各不相同，故而，三家企、Ik的单机产量，产品质量，差异较大。

　　根据国内外用户的反映，目前，国内厂家纤维品质最好的厂家是北京同益中特中纤维技术开发有限公司、山东爱地高分子材料有限公司。

　　盐城市宏达纺织器材有限公司从八十年代初开始从事化纤设备的研发与制造，特别对纤维加热设备的研发具有较强的基础与实力，本公司1998年与北京同益中公司达成共同开发年产100吨高强高模聚乙烯纤维工程、装备技术的协议。此要求在当时可谓技术难度大，起点比较高，就国内而言属革命性技术突破。

　　我公司也从此开始进入了高性能纤维成套工程装备技术的研发，制造阶段，为此成立了盐城超强高分子材料工程技术研究所，专门从事高性能纤维工艺及成套装备的研究、开发、推广。我们不断聘请人才，投人大量资金，走访有关用户，详细了解，商讨T艺流程中所需各种设备及其设备工艺要求，逐个详细设计，不断改进完善。

　　近十年来，通过我公司技术人员的艰辛努力和有关用户与业内专家的关心与支持，我们不断跟踪生产T艺，从纺丝到卷绕，从工艺到设备，从实验小线到规模化成套设备工程生产线，可谓工艺成熟，设备可靠，完全可以满足用户的不同要求，为我国的高强高模聚乙烯纤维产业化生产发展，积累了宝贵的经验，开创厂国内成套工程技术生产厂家之先河。受到国家有关部门及用户的一致好评。

　　下面是工艺和设备技术的简易介绍：

　　高强高模聚乙烯纤维冻胶纺丝工艺设备路线如下：

　　高聚物溶化+双螺杆挤出机叶箱体_冷却槽一，导丝一+预拉伸浴，萃取浴+烘干预拉伸一多级高倍热拉伸，卷绕成品。

　　月前，全球高强高模聚乙烯纤维制成的总体工艺方式有两种

　　方式一：以石蜡油为溶剂

　　方式二：以十氢萘为溶剂

　　以上两种各有优势，但目前国内这两方面的技术以石蜡油为溶剂的工艺路线比较成熟，设备路线也非常可靠，同时，以石蜡油为溶剂的工艺路线国际专利已过期，而以十氢萘为溶剂的工艺路线仍涉及到国际专利侵权问题。

　　以石蜡油为溶剂的工艺路线还分不同的工艺实施方式和不同的设备配置，最终形成的设备投资差距也比较大。

　　目前，我公司开发的超强聚乙烯纤维工程技术，无论是从工艺和设备的稳定性，还是从环保、节能等方面而言，都是较为完善而领先的，特别是为了充分满足超强聚乙烯纤维在生产过程中工艺的特殊性和不稳定性，我公司技术人员不断总结近十年的实践经验与教训，在充分摸透它的工艺特性的条件下，从物料聚合到成品卷绕，对各种设备进行了大胆的试验与改进，同时，申报了十二项专利，使丁程的单机产量和产品质量得到了大幅提高，例如：纤维的强力不仅靠后访设备还离不开前纺等

　　目前，国内已有近十家超高分子量聚乙烯纤维的生产厂家，尽管都有不同规模的生产，但其采用的工艺和设备实施的惊讶各异，尤其是单机产量，产品质量，消耗成奉差距较大。特别有些厂家在外而宣传自己的纤维产品质量做得很好，但我们实际了解下来，根本未见到他们销售的产品。国内实际形成正常销售的生产厂家我们非常清楚，在此就不作介绍了所以投资超强集乙烯纤维项目关键在于选择最佳的工艺路线，最完善成熟的配套设备，否则，该项同肯定是失败的或者说是不伦不类。

　　总之，超强聚乙烯纤维工艺及装备技术，不仅国内同行之间存在差距，而且与国外相比也有一定的差距，为满足民用市场的需求和国防的独特性需要，国家已几次将此纤维确定为国家技术创新项目，国家发展重点项目。我公司于2006年被国家确定为高性能纤维重大项目课题研究成员，并要求我们当好高性能纤维装备研究的领头羊，加速推动我国高性能纤维的应用与发展，树立我国高性能纤维技术的国际形象与地位。

　　尽管我们已推广使用了十多条生产线(例如北京同益中特种纤维有限公司和无锡分公司，北京威斯顿特种纤维有限公司，山东爱地高分子材料有限公司，杭州东南化纤有限公司，江苏中益特种化纤有限公司，上海豪嘉特高分子材料有限公司，杭州翔盛集团)，但我们并未满足于现有技术水平，近期我公司与东华大学材料工程学院联合成立东华大学宏达超强高分子材料工程技术研发中心，另外还聘请了国内知名专家、教授作为我公司长期技术顾问，其目的就是进行强强联合，研发创新，提高质量，提高产量，环保节能，开发新产品，赶超世界一流水平。

　　近两年，我公司又在不断研发纤维下游产品的装备技术及工艺技术，着重在研发新型连续式元纬布设备生产线及其无纬布的加上上艺。复合无纬布是由聚乙烯纤维通过特殊的胶粘剂按照层层正交叠合的方式制成，其相应的防弹制品m于涉及人身安仝，因而具有很高的技术要求和严格的质量标准。在复合材料中单纯的纤维无法直接应用，需要将纤维加工成复合无纬布、缆绳等各种下游产品，使其优异性能得到更好的延伸和优化，进一步拓展其应用领域。

　　目前，超强PE复合无纬布的生产工艺大致有两种：间断式和连续式。

　　间断式丁艺路线：高强PE纤维_纤维表面处理_滚筒缠绕铺丝一喷胶牯合、凉干斗单层无纬布_正交叠放一加温加压_冷却定型一多层无纬布

　　连续元纬布的制造工艺是控制纤维束排丝张力及其排布，连续浸胶、烘干复合利膜、裁剪叠放等。在研究过程中对纤维表面处理、滚筒铺丝、移动喷胶、热塑胶粘等关键技术进行攻关，主要内容如下：

　　1、高强聚乙烯纤维单向平等排放，层与层之间按正交叠放，使纤维的抗拉性能得到最大限度的利用，连续均匀铺丝和喷胶设备.保证了无纬布的均匀面密度。

　　2、高强聚乙烯纤维表面非常光滑，加之聚乙烯分子链上既不含芳香环也不含酰胺、羟基或其它的极性基因，纤维表面呈惰性和非极性，浸润性差，因此纤维与弹性基体之间的界面粘结强度低，影响了复合材料的力学性能，尤其是层间剪切，横向扣伸和断裂韧性等性能，限制了它的广泛应用。我们采取二种方法解决纤维表面的粘合问题。

　　①纤维的表面处理：在聚乙烯表面收入可以反应的活性基因，改善纤维表面粗糙度，增大纤维的表面积达到改善复合材料牯合强度的目的。

　　②研制特种高弹性、高粘性胶粘剂。克服聚乙烯表面粘结性差的缺点，保证了复合无纬布的整体强度，满足下游产品生产的要求。

　　高性能复合无纬布的研发，不仅使高强聚乙烯纤维的产业链得延伸，还大大扩展了产品的应用领域和范围，例如：高强PE无纬布防弹衣、PE无纬布防弹头盔、PE无纬布防弹板材等。

　　总之，高强PE纤维应用的范同与领域较为广泛，具体应用如下

　　由于超高分子量聚乙烯纤维具有众多的优异特性，它在高性能纤维市场上，包括从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大的优势，在现代化战争和航空、航天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。

　　1、国防军需装备方面

　　由于该纤维的耐冲击性能好，比能量吸收大，在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料。

　　如直升飞机、坦克和舰船的装甲防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌等，其中以在防弹衣中的应用最为引人注目。它具有轻柔的优点，防弹效果优于芳纶，现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。

　　另外超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值u，p是钢的lof音，是玻璃纤维和芳纶的2倍多。国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。

　　2、航空航天方面的应用

　　在航天工程中，由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好，适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索，取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳索，其发展速度异常迅速。

　　3、民用方面

　　(1)绳索、缆绳方面的应用：用该纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具适用于海洋工程，是该纤维的最初用途。普遍用于负力绳索、重载绳索、救捞绳、拖拽绳、帆船索和钓鱼线等。该纤维制成的绳索，在自重下的断裂长度是钢绳的8倍，是芳纶的2倍。该绳索用于超级油轮、海洋操作平台、灯塔等的固定锚绳，解决了以往使用钢缆遇到的锈蚀和尼龙、聚酯缆绳遇到的腐蚀、水解、紫外降解等引起缆绳强度降低和断裂，需经常进行更换的问题。

　　(2)体育器材用品：在体育用品上已经制成安全帽、滑雪板、帆轮板、钓竿、球拍及自行车、滑翔板、超轻量飞机零部件等，其性能较传统材料为好。

　　(3)用作生物材料：该纤维增强复合 材料用于牙托材料、医用移植物和整形缝合等方面，它的生物相容性和耐久性都较好，并具有高的稳定性，不会引起过敏，已作临床应用。还用于医用手套和其他医疗措施等方面。

　　(4)工业上，该纤维及其复合材料可用作耐压容器、传迭带、过滤材料、汽车缓冲板等；建筑方面可以用作墙体、隔板结构等，用它作增强水泥复合材料可以改善水泥的韧度，提高其抗冲击性能。

　　超高分子量聚乙烯纤维目前属世界范围内的稀缺物资，世界年需求量约5万吨，其中美国占70%。但目前全世界产量不足1()000 吨，缺口很大。据国内外专家预测，未来10年内每年超高分子量聚乙烯纤维的市场年需求量将在loZi吨以上，市场潜力巨大，前景广阔。

　　(本文为2007中国(盐城)高性能产业用纤维及产品开发论坛的交流论文)