高強高模聚乙烯纖維的技術進展及應用

于春江，王 健，劉志剛

(遼陽石化公司研究院，遼寧遼陽111003)

高強高模聚乙烯(HSHMPE)纖維，俗稱超高分子量聚乙烯纖維，是第三代高性能纖維，在此之前國際上開發了碳纖維、芳綸。與現在市場上的纖維相比其優異性能相當明顯，是比強度和比模量最高的纖維，其比強度是同等截面鋼絲的10多倍，比模量僅比特級碳纖維差。HSHMPE纖維具有化學惰性強，耐強酸、強堿溶液和有機溶劑的腐蝕的特點，因而其強度基本上不受化學環境影響;同時還具有耐低溫良好的特點，一般使用溫度可以低至－150℃。耐候性良好，即使日曬1 500 h后，纖維強度保持率不低于80%，耐紫外性能非常優越。因其具有以上的優點，因而在安全防護、航空航天、航海、防彈衣、坦克和艦艇的裝甲防護板、醫療器具、船舶海洋工程纜繩、遠洋捕魚的器具等領域得到廣泛應用［1－4］。

1 HSHMPE纖維發展概況

1.1 國外技術進展

20世紀70年代，來自英國利茲大學的科技人員Capaccio和Ward，首先研制成功超高模量聚乙烯纖維。在這之后荷蘭DSM公司改進技術，使用凝膠紡絲法制備出HSHMPE纖維，在制備該纖維過程中利用十氫萘做溶劑，得到了目的產物，于1979年申請專利，并于1990年成功實現了工業化生產，產品商標為 dyneema［5］。為了進一步加大下游產品的應用，該公司投入大量人力物力先后開發出HSHMPE纖維的下游應用產品，這些產品有軍事方面應用的飛機座艙的防彈門、防護服以及防彈服，民用方面的航運、漁業和海上工業用的繩索、電纜和魚網以及用于水下爆破作業的防護服等產品。荷蘭DSM公司于2007年10月宣布，成功研制具有理想的防射擊性能和輕量化等優點綜合于一體的單向防彈纖維，命名這種纖維品牌為dyneema HB5l。2010年DSM公司又在水下爆破的防護服方面的應用取得突破，并轉讓給防護設備專家瑞典TST公司。該防護服能承受高壓水槍的作業環境［6］。荷蘭DSM公司是世界上生產HSHMPE纖維的最大生產商，自工業化生產HSHMPE以來，為滿足市場需求，不斷擴大生產規模，截止2010年底，該公司投資的歐洲和美國的工廠生產的HSHMPE纖維，生產能力已經達到6 kt/a。

在20世紀80年代中期美國Honeywell公司也開發成功HSHMPE纖維，商品名Spectra，與荷蘭DSM公司的同類產品相比，這種纖維的優點是模量超過了后者，缺點是斷裂強度較差。從產品應用角度看，防彈領域的研究Honeywell公司居于領先地位，Honeywell公司首次研制成功防彈衣和防彈頭盔方面的高強聚乙烯纖維無緯布，該公司在2001年以后也在不斷擴大產能，目前其Spectra生產能力約3 kt/a。

在亞洲，日本東洋紡公司與荷蘭DSM公司合資，在日本生產HSHMPE纖維，商標也為Dyneema，為滿足市場增長的需求，2008年7月下旬宣布擴大Dyneema的產能，總投資達到5 0億日元(4 690萬美元)，公司位于日本福井的工廠內，共有2條生產線生產Dyneema纖維，該工廠Dyneema纖維生產能力2010年已達到1.6 kt/a。由于市場需求增長強勢，Dyneema纖維已出現銷售地區僅限日本和中國臺灣。另外美國塞拉尼斯公司的工程聚合物分部泰科納公司(Ticona)，巴西的Braskem公司，沙伯歐洲公司，也進行了小規模的HSHMPE 纖維的生產［7］。

目前荷蘭DSM公司、美國Honeywell公司和日本東洋紡公司分別以十氫化萘、礦物油和石蠟作為紡絲溶劑，采用凝膠紡絲-萃取、干燥及超倍拉伸-成品收卷設備聯合一體化的一步法工藝路線。荷蘭DSM公司采用的合成工藝比后兩家公司工藝流程減少了萃取工藝。目前用石蠟油為溶劑的工藝路線是比較成熟的技術，設備及操作可控性良好。用石蠟油為溶劑的工藝路線根據工藝實施方式和設備配置的不同，決定了設備投資生產的差距也比較大，因而效益回收也不同［5］。

1.2 我國研發和生產現狀

我國研究HSHMPE纖維始于1985年，率先立項研究HSHMPE纖維產業化項目的是東華大學，通過反復試驗解決了凍膠紡絲技術、萃取技術及萃取裝備、納米顆粒使用技術等攻關難題，使得我國的HSHMPE纖維產品在防彈、繩索、頭盔等國防軍工等領域得到了廣泛的應用，東華大學共申請專利9項，獲中國授權專利6項。東華大學在1999年底與湖南中泰特種裝備有限公司合作，建成了1 kt/a工業化生產裝置，并成功開車，生產出產品，2010年該裝置擴產為5kt/a。產業化進程中遇到的設備、工藝、高濃度原液紡絲技術問題被攻克，標志著我國HSHMPE纖維發展站在了世界發展的前端，成為世界上第三個具有生產HSHMPE纖維自主知識產權的國家。目前，我國生產的HSHMPE纖維主要規格是以444 dtex和666 dtex為主產品，模量達1 144 cN/dtex、斷裂伸長率為3%、纖維絲束強度達30.8 cN/dtex、單絲線密度 2.77 ～3.33 dtex，溶劑殘留量不超過 2%，產品能廣泛應用在軍警及民用設施上［8］。

在東華大學研究的工藝成果基礎上，寧波大成特種纖維公司進行了小試、中試、工業化生產開發，并相繼建成了HSHMPE纖維工業化生產裝置，于2000年初成功實現了產業化放大，成為世界上第四個擁有自主知識產權的生產HSHMPE纖維生產企業。寧波大成特種纖維公司一期工程建成HSHMPE纖維及制品生產裝置生產能力為0.5 kt/a，到2009年底該公司生產HSHMPE纖維及制品1.5 kt，大部分產品應用在軍用的軟質防彈衣、UD無緯防彈布、輕質防彈頭盔、防彈板材、高性能滑雪杖等方面。目前，該公司制造的防彈設備已經成功的應用在英國駐伊拉克部隊、駐科威特部隊、伊拉克新政府軍隊及警察、沙特阿拉伯部分軍隊上［5，9－10］。

伴隨著市場需求的增長，國內HSHMPE纖維企業有20多家。這些企業以湖南中泰特種裝備有限責任公司、寧波大成新材料股份有限公司、中石化儀征化纖股份有限公司、山東愛地高分子材料有限公司、上海斯瑞聚合體科技有限公司、浙江千禧龍特種纖維公司等為代表。

目前，江蘇的九九久科技股份有限公司利用東華大學的高濃度凍膠紡HSHMPE纖維的制備技術為技術保障，成功通過了3.2 kt/a HSHMPE纖維項目可行性報告，預計在2013年投料開車，將成為我國較大的單套HSHMPE纖維企業。另外，北京同益中特種纖維技術開發有限公司成功申請了歐盟和韓國專利的產品;山東愛地高分子材料有限公司打破外國壟斷專利，實現了紡絲工藝連續化和單套產能大型化、高效化;2009年中國石化儀征化纖股份有公司成功開發干法紡絲工藝路線 ，并進行了工業化［10］;此外，杭州翔盛紡織有限公司等在HSHMPE纖維的研制、工業化方面也取得一定長足的進步。

2 HSHMPE纖維應用領域及市場前景

HSHMPE纖維與芳綸相比，具有密度小、硬度強的優點、并且相對分子質量極高，主鏈結合好的特點。相同體積的頭盔，用HSHMPE纖維制作的就可以減輕質量300～400 g，等同于殼體的40%，實踐證明防彈效果好，成為了主導美國軍用市場的纖維，隨著該纖維性能的逐漸改進和提高，市場前景可期［5］。

隨著各國軍事對抗的強化及太空領域的競爭激烈程度不斷加強，各國都在尋找一種輕薄且堅硬的纖維，隨著人類利用率的增加，HSHMPE纖維需求也迅速增長，很多國家的飛機內壁都用這種纖維制造而成，而制成防彈衣恰恰利用了其質量輕，抗沖擊力強的特點［11］。目前做成的有防彈衣、防彈頭盔、運鈔車和作戰坦克防彈板以及雷達的防護外殼等。

HSHMPE纖維在民用方面也得到了廣泛的應用，主要應用在漁業的繩、索、網等方面，也應用在體育器材方面，例如滑雪板、釣魚竿、安全帽等;在醫療方面的應用，例如用作牙托材料、醫用移植物、整形縫合材料、人造關節、人造韌帶、人造肌腱、手術縫線等［5］。HSHMPE纖維在建筑材料等領域也到了廣泛的應用。

隨著人類逐漸認識到HSHMPE纖維制作材料的特點，它的需求量會成倍增加，據估計目前全球需求量為30 kt，我國需求量為8 kt，但是世界的產量僅為 10 kt，我國產量為 5 kt［12］?？梢?，我國HSHMPE纖維市場前景廣闊。

3 發展和建議

(1)我國科研單位和企業對照國外標準找差距。雖然我國是世界上擁有生產HSHMPE纖維知識產權的第三個國家，但是我們的產品和另兩家巨頭企業還有很多不足，具體是:樹脂質量有波動，纖維級專用樹脂空白;纖維力學性能相對差，指標僅和發達國家同類產品的中等水平相當;纖維的線密度和強度的均勻率不好;缺乏纖維表面改性技術，致使復合材料性能不高;單套設備產能不高，纖維質量波動較大等［9］。因此，我國有關部門應設立專項科研基金，成立專門研究機構，進行技術攻關，完善提升HSHMPE纖維生產技術路線，以此推動我國HSHMPE纖維產業的技術進步和產品的國際市場競爭力。

(2)整合我國市場，制定HSHMPE纖維標準，形成規模化。目前，我國共有20多家企業生產HSHMPE纖維，有很多企業產能很小，不具備競爭力，整體產品單耗，能耗過高，加之我國有些企業盲目跟風生產，擴大產能后，沒有進行相應的下游產品開發，致使目前我國產能相對過剩和設備出現閑置的狀況，生產商基本上都存在開工不足的問題。因而我國權威部門應制定HSHMPE纖維產品標準，關閉小產能的企業，做大做強大企業，并在國際上具有競爭力。

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