超高分子量聚乙烯知識(shí)分享

超高分子量聚乙烯1.超高分子量聚乙烯概述1.1聚乙烯分類聚乙烯是由乙烯基單體自由基聚合而成的聚合物，分子的結(jié)構(gòu)單元為：聚乙烯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：聚乙烯為線性聚合物，-C-C-鏈為柔性長(zhǎng)鏈，為熱塑性聚合物；分子對(duì)稱，無極性基團(tuán)存在，分子間作用力較小；聚乙烯分子鏈空間排列呈平面鋸齒形，鍵角為109.3°；分子鏈良好的柔順性和規(guī)整性，似的聚乙烯的分子鏈可以反復(fù)折疊并整齊堆砌排列形成結(jié)晶。低密度聚乙烯高密度聚乙烯線性低密度聚乙烯超高分子量聚乙烯LDPE,高壓法合成，催化劑為ROORHDPE，中壓法或低壓法合成，催化劑為Cr系或ZieglerLLDPE，Z-N型或Ti系高效催化劑UHMWPE，Ti系高效催化劑聚乙烯按照密度可分為：1.超高分子量聚乙烯概述1.超高分子量聚乙烯概述

20世紀(jì)30年代，Staudinger教授提出了高強(qiáng)高模高分子必須具備的結(jié)構(gòu)模型，指出其大分子必須完美擇優(yōu)取向和結(jié)晶。

1936年，Boer在Faraday學(xué)會(huì)研討會(huì)上，提出如果由主價(jià)鍵計(jì)算完美取向和結(jié)晶高分子材料的話，主鏈方向楊氏模量可達(dá)11000kg/cm2，而由范德華力控制的話只有450kg/cm2。這種結(jié)構(gòu)模型只有在二種極端情況下才能實(shí)現(xiàn)，即剛性的分子和非常柔性的分子。1.超高分子量聚乙烯概述1.2超高分子量聚乙烯分子量為80萬～500萬的聚乙烯稱為超高分子量聚乙烯，分子量是超高分子量纖維力學(xué)性能的基礎(chǔ)，分子量越高，端基濃度越小，增加了大分子鏈間的相互作用力，受外力時(shí)大分子鏈間的纏結(jié)點(diǎn)與吸引點(diǎn)相互作用，達(dá)到分散作用力的目的。n≈1.79×105～1.96×105分子量不同賦予聚乙烯不同的性能，分子量越高，拉伸強(qiáng)度、表面硬度、耐磨性、耐蠕變、耐老化和耐溶劑性提高，斷裂伸長(zhǎng)率降低。1.超高分子量聚乙烯概述1.3超高分子量聚乙烯纖維的發(fā)展帝斯曼公司生產(chǎn)規(guī)模圖20C90S2008201020124500噸6000噸？20C70S,利茲大學(xué)研制出分子量10萬的UHMWPE荷蘭DSM公司十氫萘溶劑凝膠紡絲法，申請(qǐng)專利1990年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)美國(guó)AlliedSignal公司購(gòu)買專利商品名spectral900/1000聯(lián)合日本東洋紡織DyneemaSK-6020C80S,中國(guó)開始理論研究已產(chǎn)業(yè)化600噸1.溶解UHMWPE于適當(dāng)?shù)娜軇┲?，制成半稀溶液?.經(jīng)噴絲孔擠出，以空氣或水驟冷紡絲溶液，將其凝固成凍膠原絲，形成折疊鏈片晶；3.通過萃取、超倍熱拉伸大分子鏈充分取向和高度結(jié)晶，折疊鏈的大分子轉(zhuǎn)變?yōu)樯熘辨溄Y(jié)構(gòu)。凍膠紡絲法2.超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)原理1.將UHMWPE溶解于適當(dāng)?shù)娜軇┲行纬砂胂∪芤?，減小分子鏈之間的纏結(jié)；2.噴絲孔擠出后在空氣或水中冷卻凝固成凝膠原絲。保存大分子的解纏狀態(tài)；3.通過超倍熱延伸凝膠原絲大分子鏈充分取向和高度結(jié)晶。凝膠紡絲法

除此之外，UHMWPE纖維的紡絲方法還有高壓固態(tài)擠出法、增塑熔融紡絲法、表面結(jié)晶生長(zhǎng)法。凍膠紡絲--超拉伸技術(shù)制備高強(qiáng)度、高模量聚乙烯纖維是70年代末出現(xiàn)的一種新穎紡絲方法，是目前UHMWPE纖維唯一可產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的紡絲方法。2.超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)原理加熱牽伸

5.多級(jí)牽伸改變分子排列狀態(tài)原料溶解

1.十氫萘、石蠟油、煤油可作為溶劑噴絲板3.實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵擠壓物料變?yōu)榻z條螺桿擠壓2.輸送-攪拌-加熱-加壓萃取、干燥4.將絲條中的溶劑萃取、置換，萃取劑揮發(fā)2.超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)原理UHMWPE理想的溶劑，低溫下溶解，凍膠絲可不經(jīng)萃取直接牽伸

十氫萘價(jià)格昂貴，我國(guó)目前無大量生產(chǎn)價(jià)格便宜

烷烴類餾程高，需增加萃取工藝，使用關(guān)鍵為如何降低溶劑在纖維成品中的含量。

溶解是分子間的作用力被溶劑分子拆散的過程，溶質(zhì)和溶劑分子本身及相互間的作用力相對(duì)大小將影響溶解進(jìn)程。超高分子量聚乙烯的分子量極高、分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，分子間有強(qiáng)烈的形成結(jié)晶的趨勢(shì)，結(jié)晶度極高，溶劑分子很難折散這種作用力，因此UHMWPE很難均勻充分溶解，只有在高溫下才能溶解于二甲苯、十氫萘等少數(shù)幾種溶劑中。2.1原料溶解螺桿擠出機(jī)的作用為物料的傳輸-攪拌-加熱-加壓，將UHMWPE大分子鏈解纏，賦予大分子鏈間適當(dāng)?shù)睦p結(jié)點(diǎn)密度。雙螺桿擠出機(jī)紡絲箱的作用為保溫、控溫、均勻的將物料分配到每一個(gè)紡絲組件。紡絲箱噴絲板將物料擠壓變?yōu)榻z條，決定了纖維的成型及拉伸性能，孔徑及外形為主要的技術(shù)參數(shù)。噴絲板2.超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)原理2.2絲條紡制2.超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)原理2.2絲條紡制未成形、較粗的絲條多級(jí)熱牽伸每一級(jí)牽伸過程都會(huì)改變纖維分子間結(jié)構(gòu)，大分子由無序向有序、定向排列，結(jié)晶度提高。2.2絲條拉伸成型2.超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)原理萃取、干燥含有溶劑的凍膠絲條經(jīng)過萃取，將絲條中的溶劑去除。通常采用的萃取劑為碳?xì)淝逑磩?，該萃取劑在干燥過程中即可去除。BeforeAfter2.2絲條拉伸成型2.超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)原理

凍膠溶液在噴絲孔道內(nèi)受剪切作用，部分溶劑析出流入冷浴，大量的溶劑保留于凍膠絲條的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，除去后方能進(jìn)行有效的高倍拉伸，通常采用低沸點(diǎn)且易揮發(fā)的第二溶劑（萃取劑）置換出高汽化點(diǎn)的第一溶劑。目前所采用的萃取劑有汽油、正己烷，二甲苯，四氯化碳，二氯甲烷、四氯乙烷，三氯三氟乙烷或其他低沸點(diǎn)碳?xì)浠衔?。萃取劑的選擇必考慮到萃取效率以及萃取劑的安全性和毒性。

干燥的目的除了去除大部分殘余溶劑和萃取劑外，更重要的是要使纖維大分子形成折疊鏈結(jié)晶。聚乙烯大分子以大約20nm厚的折疊鏈結(jié)晶形式存在于纖維中，結(jié)晶體C軸或大分子鏈的軸垂直于這種片晶的表面，為正交晶體結(jié)構(gòu)。大分子鏈的致密化和規(guī)整性增加可大大提高纖維力學(xué)性能和熱性能，使其能承受在較高溫度下的熱拉伸，確保超倍拉伸的順利進(jìn)行。萃?。ㄈト軇└稍锢?.1、耐磨性

UHMWPE的耐磨性居化纖之首，并超過某些金屬，UHMWPE耐磨性與分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好。

3.2、耐沖擊性

UHMWPE的沖擊強(qiáng)度很高，以致于采用通常沖擊試驗(yàn)方法難以使其斷裂破壞，其沖擊強(qiáng)度隨分子量的增大而提高。3.3、自潤(rùn)滑性

UHMWPE有極低的摩擦因數(shù)（0.05～0.11），故自潤(rùn)滑性優(yōu)異。當(dāng)它以滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)形式工作時(shí)，比鋼和黃銅加潤(rùn)滑油后的潤(rùn)滑性還要好。因此，在摩擦學(xué)領(lǐng)域UHMWPE被譽(yù)為成本/性能非常理想的摩擦材料。

3.4、耐化學(xué)藥品性

UHMWPE具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性，除強(qiáng)氧化性酸液外，在一定溫度和濃度范圍內(nèi)能耐各種腐蝕性介質(zhì)（酸、堿、鹽）及有機(jī)介質(zhì)（荼溶劑除外）。在20℃和80℃的80種有機(jī)溶劑中浸漬30d，外表無任何反?，F(xiàn)象，其它物理性能也幾乎沒有變化。

3.5、沖擊能吸收性

UHMWPE具有優(yōu)異的沖擊能吸收性，噪聲阻尼性能很好，具有優(yōu)良的消音效果。

3.超高分子量聚乙烯纖維的性能3.6、耐低溫性

UHMWPE具有優(yōu)異的耐低溫性，在液氦溫度（-269℃）下仍具有延展性，因而能夠用作核工業(yè)的耐低溫部件。3.7、衛(wèi)生無毒性

UHMWPE衛(wèi)生無毒，完全符合日本衛(wèi)生協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，并得到美國(guó)食品及藥物行政管理局和美國(guó)農(nóng)業(yè)部的認(rèn)可，可用于接觸食品和藥物。3.8、不粘性

UHMWPE表面吸附能力非常微弱，制品表面與其它材料不易粘符。

3.9、吸水性小

UHMWPE吸水率很低；一般小于0.01%。密度小于水，可浮于水面。3.10、拉伸強(qiáng)度

UHMWPE具有朝拉伸取向必備的結(jié)構(gòu)特征，纖維比強(qiáng)度是迄今已商品化的所有纖維中最高的，比碳纖維大4倍，比鋼絲大10倍，比芳綸纖維大50%。

3.超高分子量聚乙烯纖維的性能

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維是當(dāng)今世界上第三大特種纖維，強(qiáng)度高達(dá)30.8cN/dtex以上,比強(qiáng)度是化纖中最高的，又具有較好的耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐光等優(yōu)良性能。3.超高分子量聚乙烯纖維的性能

目前，UHMWPE已在紡織、造紙、包裝、運(yùn)輸、進(jìn)寫、化工、采礦、石油、建筑、電氣、食品、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并開始進(jìn)入常規(guī)兵器、船舶、汽車等領(lǐng)域。今后還將擴(kuò)大到宇航和原子能等領(lǐng)域。它可直接制成繩索、纜繩、漁網(wǎng)和各種織物：防彈背心和衣服、防切割手套等，其中防彈衣的防彈效果優(yōu)于芳綸。超高分子量聚乙烯纖維織成不同纖度的繩索，取代了傳統(tǒng)的鋼纜繩和合成纖維繩等。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維的復(fù)合材料在軍事上已用作裝甲兵器的殼體、雷達(dá)的防護(hù)外殼罩、頭盔等；體育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。4.超高分子量聚乙烯纖維的應(yīng)用領(lǐng)域航空體育Titleinhere軍事Titleinhere勞保用品Titleinhere船舶UHMWPE醫(yī)療

超高分子量聚乙烯纖維是當(dāng)今世界三大高科技纖維（碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維）之一，也是世界上最堅(jiān)韌的纖維。其“輕薄如紙、堅(jiān)硬如鋼”，強(qiáng)度是鋼鐵的15倍，比碳纖維和芳綸1414（凱夫拉纖維）高2倍，是目前制造防彈衣的主要材料。4.超高分子量聚乙烯纖維的應(yīng)用領(lǐng)域5.行業(yè)前景與展望

超高分子量聚乙烯纖維作為世界范圍內(nèi)的稀缺物資，世界年需求量為5萬噸左右，歐美占70%以上。目