高强高模聚乙烯纤维性能和用途

高强高模聚乙烯纤维性能和用途（一）性能介绍UHMWPE纤维特殊的结构特征决定了它具有许多良好的优异的性能。一般而言,高强高模聚乙烯纤维本身具有三种形状:即单丝、复丝和带子,形状规格不同其物理性能差异较大。UHMWPE纤维具有很高的轴向比拉伸强度和模量，而且能量吸收性能比芳纶优越，并且也弥补了高性能的碳纤维、碳化硅纤维等断裂应变小的弱点。同时它还具有耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、介电常数低、电磁波透射率高、摩擦系数低及突出的抗冲击、抗切割等优异性能。它是目前强度最高的纤维之一，比强度能达到优质钢的15倍，模量也很高，仅次于特种碳纤维。断裂伸长率较其它特种纤维高，断裂功很大。UHMWPE纤维性能指标：回潮无沸水收缩率＜1％，熔点135～145℃，导热率（沿纤维轴向）20w/mk，热膨胀系数－12×106/k21，介电常数（22℃，10GHhz）2.25，介电强度900kv/cm。（1）优良的力学性能高强高模聚乙烯纤维的密度为0.97g/cm3，只有芳香族聚酰胺纤维（芳纶）的2/3、高模碳纤维的1/2，而轴向拉伸性能很高。Spectra1000纤维的比拉伸强度时现是高性能纤维中最高的，比拉伸模量比高模量碳纤维低，但比芳香族聚酰胺纤维高得多。如果再考虑比重的话，它是一种非常独特的纤维，在保持良好性能同时，还能省重量。高强高模PE纤维的理论值可达320km,约为芳纶的二倍。由于复合材料的拉伸强度是由纤维控制的，因此高强高模聚乙烯纤维单向增强复合材料的纵向拉伸性能也很好。几种高性能纤维的性能比较表见表1—5。图1—12是各种纤维的应力—应变曲线，从图上可以看到，强度在2.734~3.5N/tex范围内，高强高模聚乙烯纤维的断裂伸长率为3%~5%，相对于碳纤维、玻璃纤维和芳香族聚酰胺纤维来说，拉断该纤维所花费的能量是最大的。图1—13对几种纤维的比强度、比模量进行了比较。从图中可以看出，高强高模聚乙烯纤维的比强度、比模量明显高于其他纤维，在相同质量的材料中，强度最高。（2）优良的耐冲击性能UHMWPE纤维是玻璃化温度低的热塑性纤维，韧性很好，在塑性变形过程中吸收能量，因此，它的复合材料在高应变率和低温下，仍具有良好的力学性能。抗冲击能力比碳纤维、芳纶纤维及一般玻璃纤维复合材料高。UHMWPE纤维复合材料的比冲击总吸收能量Et/p分别是碳纤维、芳纶和E玻璃纤维的1.8,、2.6和3倍，其防弹能力比芳纶的装甲结构高2.5倍。UHMWPE纤维的冲击强度几乎与尼龙相当，在高速冲击下的能量吸收是芳纶（PPTA）纤维、尼龙纤维的两倍。这种性能非常符合制作防弹材料。（3）极好的弯曲性能超高分子量聚乙烯纤维具有极好的弯曲性能，能不断裂地形成针织线圈和打结头。而玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维的弯曲性能较差。对各种纤维加工性能进行比较，超高分子量聚乙烯具有很高的勾结强度和成环强度，UHMWPE纤维比芳纶成圈性能更好。(4)纤维抗蠕变性能HSHMPE纤维的蠕变性能取决于使用环境的温度和负荷情况,纤维在35℃和1g/d负荷状态下的蠕变情况如表3所示,与常规得到的纤维相比,其抗蠕变性能已经非常杰出。（5）良好的抗湿性和抗化学腐蚀性能由于聚乙烯的化学结构简单，因此耐腐蚀性能极好。用这种纤维制造的产品不会由于和酸、碱、污海水等接触而损失其强度。UHMWPE纤维具有高度的分子取向和结晶，大分子截面积小，所以链间排列紧密，从而有效地阻止水分子和化学试剂的侵蚀，因此使其具有了良好的耐溶剂溶解性能。Spectra纤维在多种介质中，如水、油、酸和碱等溶液中浸泡半年，其强度可完全保留。Spectra纤维在水中浸泡两年，仍可保留原有的强度，还可防生物腐蚀。表1—8列出了Spectra纤维和Kevlar纤维在各种化学介质中的强度保留率。UHMWPE纤维大分子链上不含任何芳香环、氨基、羟基或其它易受活性试剂攻击的化学基团，结晶度又高，因此在各种苛性环境中强度均保持在90％以上，而芳纶在强酸、强碱中下降则很大。表1—9给出了在室温条件下高强高模聚乙烯纤维耐化学性能的实测数据。结果表明，高强高模聚乙烯纤维经强酸作用一周后，其强度不变，模量损失10%；一个月后强度损失5%，模量损失10%。相比之下，虽然开始阶段模量稍有变化，但随着时间的增长，没有进一步变化的趋势。（6）耐磨性能材料的耐磨性能一般随着模量的增大而减小，但对于UHMWPE纤维，趋势却相反，这是因为它的摩擦系数低所致，故而其具有很高的耐久性。。Spectra900PE纤维绳子的破断循环数n比芳纶高8倍，耐磨性和耐弯曲疲劳强度也比芳纶高适合做绳索。由于它的易加工性，在工业方面有很好的应用前景。UHMWPE的耐磨性能居塑料之冠，比碳钢、黄钢还耐磨数倍，它的耐磨性是普通聚乙烯的数十倍以上，并且随着相对分子质量的增大，其耐磨性能还进一步提高，但当相对分子质量达到一定数值后，其耐磨性能不再随相对分子质量的增大而发生变化。（7）电绝缘和耐光性能UHMWPE纤维增强复合材料的介电常数和介电损耗值低，反射雷达波很少，因此对雷达波的透射率高于玻璃纤维复合材料。聚乙烯材料的介电常数的和节电损耗值这两个值最小，适用于制造各种雷达罩。此外，UHMWPE的介电强度约为700kV/mm，能抑制电弧和电火花的转移。图1—14是各种纤维耐光性的比较，十分明显，UHMWPE纤维的耐光性是图中所有纤维中最好的。与芳纶纤维相比，UHMWPE纤维的断裂强度在长时间光照作用下依然有很高的保持率。芳纶纤维不耐紫外线，使用时必须避免阳光直接照射，而聚乙烯纤维由于化学结构上的优势，是有机纤维中耐光性最优异的纤维，即使经过1500h光照之后，UHMWPE纤维的强度保持率还有68%左右，而其他纤维均在50%以下。(8)耐切割性能高强高模聚乙烯纤维（商品名为Certran）具有良好的耐切割性能，与Kevlar29和Spectra1000的耐切割性能相当，可应用于加工制作防切割工作服等。由于该纤维比Kevlar29的加工工艺流程短、无溶剂回收问题、设备投资少、价格低，因此将会在制作防切割纺织品等方面受到重视。(9)耐高能辐射性能超高分子量聚乙烯纤维在受到赣能辐射，如电子射线或r射线的照射时，分子链会发生断裂，纤维强度会降低。有研究表明，当对射线的吸收剂量达到1*102kj/kg时，会对纤维的性能产生显著的影响，但当吸收剂量高达3*106kj/kg时，纤维还可以保持可用的强度，因此，在UHMWPE纤维正常生产和存储期间，无须对日照进行特殊防备。(10)耐低温超高分子量聚乙烯纤维在液氦温度（-269℃）下仍具有延展性，而芳纶到-30℃便失去了防弹性能；超高分子量聚乙烯纤维在液氮中（-195℃），也能保持优异的冲击强度，这一特性是其他塑料所没有的，因而他能够用作核工业的耐低温部件。(11)优越的能量吸收性能UHMWPE纤维是玻璃化转变温度较低的热塑性纤维，韧性很好，能在塑性变形过程中大量吸收能量；纤维的模量非常高，具有较低的伸长率，断裂所需的能量很大。因此，它的复合材料在高应变率和低温下仍具有良好的力学性能，抗冲击能力比碳纤维、芳伦纤维及一般玻璃纤维复合材料高。该纤维复合材料的比冲击总吸收能量Et/ρ分别是碳、芳伦和E玻璃纤维的1.8，2.6和3倍，其防弹能力是芳伦纤维的装甲结构高2.5倍。这些性能被用于弹道保护产品和防切割、防冲击产品上。(12)低的介电常数和介电损耗UHMWPE纤维的介电常数和介电损耗值低，在各种制作复合材料的纤维中最小，反射雷达波最小，因此对雷达波的透射率很高，这个性能常被用来制作各型雷达的外罩。（13）耐紫外线能力强芳伦纤维不耐紫外光，使用时必须避免阳光直接照射，而UHMWPE纤维是有机纤维中耐光性最优异的纤维。同样经紫外光照射1500小时，该纤维的强度保持率在90%左右，而芳伦纤维只有30%。(14)热性能普通聚乙烯纤维的熔点为134℃左右，UHMWPE纤维的熔点比其高10～20℃。所测的熔点值与施加在被测纤维上的张力有关，张力愈大熔点愈高。UHMWPE纤维的最高使用温度为80℃～100℃。但在稍高温度短时间下仍能保持原有性能，这一点对用于复合材料时的加工非常重要。纤维力学性能与使用加工温度有关，在80℃温度下，强度、模量约下降30％，在低温（-30℃）下强度和模量随之升高。热处理（130℃，3h）后，强度和模量均为未经处理纤维的80％。另外，高强聚乙烯纤维增强塑料的热传导率也很高，同钢一样高。(15)其他性能UHMWPE纤维在高温和张力下使用会发生蠕变。蠕变行为的大小与冻胶纺丝中使用的溶剂种类有关，若使用的溶剂为石蜡油、石蜡，则由于溶剂不易挥发易残存于纤维内，蠕变倾向显著；而用挥发性溶剂十氢萘时，则所得纤维的蠕变性能极大地改善。另外，UHMWPE纤维质轻（特别低的比重），UHMWPE是世界上唯一一种密度比1.0还低的超级纤维，其比重为0.97，比水还轻，这种纤维能浮于水上。UHMWPE纤维除具有上述性能外，还具有其它优异的物性。（二）用途介绍高强高模聚乙烯纤维除在现代化战争、宇航、海域、防御装备等方面发挥重要作用外。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。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。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l0倍，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。防弹防护方面的应用：UHMWPE纤维在安全防护用品领域的应用集中体现了UHMWPE纤维的优异性能，UHMWPE纤维复合材料的抗冲击韧性很好，比冲击吸收能量是高级复合材料中最高的。防护用品包括防弹用品、防刺用品、防割（含防划伤）用品。防护用品是目前高强高模聚乙烯纤维的主要领域，单是UD布的生产就使用了高强高模聚乙烯纤维总量的45%以上，UD布是生产防弹衣、防刺服、防弹板、防弹装甲的核心材料，其中最主要的产品是软质防弹衣。高强高模聚乙烯纤维防护用品与芳纶、碳纤维防护用品，以及陶瓷、钢铁、合金防护用品相比，在保证防护性能的前提下，大大降低了防护用品质量。例如用于头盔可减重400g左右，相当于壳体重的30%~40%，可大大减轻使用人员的负担，所以深受欢迎。在轻质装甲方面，高强高模聚乙烯纤维有很好的应用前景，如可用于直升机防护装甲、坦克装甲、装甲车装甲等，仅装甲一辆坦克或装甲车就需要UD产品400kg或更多，如果能推广使用，用量将十分可观。随着军备水平的提高，对高强高模聚乙烯纤维的需求也将越来越多。高强高模聚乙烯纤维防护用品的使用温度可低至零下150℃，已经超出地球低温极限，而芳纶在零下30℃就会失去防弹性能，因此在高寒地区，高强高模聚乙烯纤维产品是防护用品的首选。它具有轻柔的优点，现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。用UHMPE纤维制生产的安全带与一般纤维生产的产品相比,具有更高的撕裂强度;由于UHMWPE纤维的伸长较小,可以限制冲撞时乘客的移动量,尤其UHMWPE纤维所具有的耐磨损性、耐光性、耐水性及耐寒性,提高了安全带的使用寿命;另外,由于具有较高的强度,可以减少纤维的用量,使安全带的厚度减少,易于卷人收缩器,且手感柔软,佩戴舒适。利用UHMWPE纤维的超高强力、质轻以及良好的耐老化性,可以提高建筑物外防护网的安全系数和使用寿命。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。以其制成的武装直升机和战斗机的壳体材料还具有优异的防弹性能。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：绳、缆、索类的重要指标之一是破裂强度。高强高模聚乙