聚乙烯纤维

内聚能密度为259J/cm3，结构规整，易结晶，晶 格中分子链呈平面锯齿形;

分子链中不含极性基团，平均分子量高，分子量
分布窄，支链短而少，密度0.96～0.98g／cm3， 结晶度高。

这种结构决定其具有突出的高韧性、高耐磨性、
优良的自润滑性。

UHMWPE的耐磨性在已知的高聚物中名列第一， 比聚四氟乙烯高6倍，耐冲击性能比聚甲醛高14 倍，比ABS高4倍；消音性能好，吸水率在0.01 ％以下，耐化学药品性能、抗粘结性能良好， 耐低温性能优良,电绝缘性能好。

但耐热性比较差，一般使用温度在100℃以下。
三. 超高分子质量聚乙烯纤维的结构

聚乙烯纤维的分子量大于10 6 ，其晶体强度和结晶模
量理论值分别为32，362GPa，而实际纤维的拉伸强
度和模量为3.5和116GPa，伸长率为3.4%。

聚乙烯分子量(M)与纤维强度(ζ)之间的关系可用如下 经验公式表示： ζ∝MK （k=0.2~0.5）
⑶ 表面结晶生长法

表面结晶生长法是将聚乙烯溶解，然后将溶液置于由 两个同心圆柱所构成的结晶装置内，向纺丝溶液中投 入晶种，形成纤维状晶体，在100-125℃之间进行热拉 伸，使串晶结构转化为伸直链结构，赋予纤维高强度 与模量。该技术是一种新型的纺丝技术，但是难于实 现工业化生产。
⑷ 区域高倍拉伸法

Patent number: FR2459845， 1981-01-16 Inventor: SMITH P.; LEMSTRA P. J. Applicant: STAMICARBON (NL)
SMITH P.
LEMSTRA P. J.
美国Allied Signal公司抢先购买了该专利使用权， 经改良于1983年取得纤维的美国专利，1989年正 式商业化生产，商品名为“Spectra”； 1982年日本Mitsui公司增塑纺技术于83年通过欧 洲专利，85年在岩国工厂内完成3吨/月中试线，
大利Snia纤维公司，分别推出了Certran和 Tenfor两种商标的纤维。

20世纪70年代末，R.S.Potter 报道了固态挤出高分 子量聚乙烯，1986年日本石油公司（现三菱石油 公司）开展了有关SSE的研究，1994年在日本建立 了一个中试生产厂生产销售SSE纤维MiliteTM， 1999年将专利技术授权给美国的Synthetic Indu.， 商品名为TensylonTM，产能为80-100吨。 产品主要用于绳索、缆绳、捕鱼线、防割手套、 增强土工建筑材料、天线屏蔽器如雷达罩等。
的插板背心，阻止来福枪子弹。
（4）复合材料类： UHMWPE纤维及织物可增强复合材料，减轻重量，
增大冲击强度，制成的防护板制品，如防护性涂
层护板、防弹背心、防护用头盔、飞机结构部件、 坦克的防碎片内衬等均有较大的实用价值。
此外，用UHMWPE纤维增强复合材料具有较好的
介电性能，抗屏蔽效果也优异。因此，可用作无 线电发射装置的无线整流罩、光纤电缆加强芯及 雷达罩。

当时制得的聚乙烯纤维物性远不如今天的超高
分子量聚乙烯纤维，其主要原因有:

所使用聚乙烯的分子量太低，末端基较多，形
成较多的缺陷； 没有充分拉伸，没有形成伸直链结晶。 以后出现了如结晶生长法、高倍热拉伸法、区 域拉伸法、单晶片高倍热拉伸，增塑熔融拉伸 法等来制备高强高模高分子纤维。

⑴ 高压固态挤出法
⑵ 增塑熔融纺丝法

增塑熔融纺丝方法是加入适量流动改性剂 或稀释剂将聚乙烯纺成纤维的方法。可以 是聚乙烯的溶剂，也可以是蜡质物质，混 合比为20:80—60:40，经双螺杆熔融，再挤 出纺丝。混合物经熔融挤出成形后，进行 萃取和多级热拉伸，最终得到强度为26cN ／dtex，模量为980cN／dtex的纤维。
特性，针织加工的工作裤在受锯切割时将消耗
较多的能量会使电机即停，从而达到防锯效果。 还可以做船帆，轻、伸长小、耐久性好。
（3）无纺织物类

由于PEUD板是一种单向结构组成的层片，纤维 或纱线互相平行排列，重量最小。

PE UD制得的防弹背心，防弹、防钝伤效果强， 能迅速地将冲击能量分散。另外，用PEUD制得 的军用产品重量轻，可制成重量小于0.5～0.7kg
备纯UHMWPE纤维针织物，也可与棉纤维混织来
改进针织物的穿着舒适性或减少成本。
UHMW-PE 纤维的加工
3．绳索编织加工: 绳索编织加工过程中，欲获得优异特性
的关键是使纤维保持恒定的张力。编织点的固定也很重要，
编织点应该结实，编成的绳收卷要防止不受任何磨损。在 加工前，根据绳的规格要求选用纤维规格和最佳的编织结
＝ 5.98/ 密度(g/cm3)×分子链截面积(nm2)
要使柔性链高聚物纤维达到高性能化必须考 虑如下四个方面:
①尽量提高聚合物大分子的分子量； ②尽量提高非晶区缚结分子的含量； ③尽量减少晶区折叠链含量，增加伸直链含量； ④尽量将非晶区均匀分散于连续的伸直链结晶基质中。
四.冻胶纺丝原理和方法
相对超高分子质量聚乙烯纤维 制备及其应用
一. 超高分子量聚乙烯纤维的发展简况 二. 超高分子量聚乙烯原料的结构性能 三. 超高分子量聚乙烯纤维结构 四. 冻胶纺丝原理及方法 五. 超高分子量聚乙烯纤维的后加工
六. 超高分子量聚乙烯纤维的性能
七. 超高分子量聚乙烯纤维主要品种及应用 八. 问题和改进

75年起，DSM公司对有工业化实用价值的所有方法投入研 发和探讨，对界面结晶生长法和冻胶法予以充分的支持；
第一份有关UHMWPE纤维的专利
Process for making polymer filaments which have a high tensile strength and a high modulus

而这种结构模型只有在二种极端情况下才能实现， 即非常刚性的分子和柔性的分子。 刚性链高分子不易折叠，分子会自然充分伸展，加 工过程中沿作用力方向择优取向，形成平行链，特 别是如果分子间作用力很强,形成液晶单元； 非极性的柔性链高分子，由于分子间作用力非常小， 容易伸展并取向,如聚乙烯。
SMITH P.
高强高模高分子纤维的概念

20世纪30年代，Staudinger教授提出了高强 高模高分子纤维必须具备的结构模型
H. Staudinger, in Die Hochmolekularen Organischen Verbindungen, Springer-Verlag, Berlin, 1932, pp 111.

因此，该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极 大兴趣和重视，发展很快。
二. 超高分子量聚乙烯原料的结构性能

由齐格勒-纳塔催化体系低压乙烯聚合制得；分子 量在100万以上，线性高密度，乳白色粉状物; 结构单元为（CH2－CH2－）n；分子链截面积为

0.193(nm)2 ；大分子间的作用力以色散力为主，
紫外线、不会沉浸而浮于水面的束具，广泛应用
于拖、渡船和海船的系泊，油船和货船的绳缆。 所得的缆、索等的重量比Kevlar制品轻一半，强 度高25％，而且还耐海水和紫外线。
（2）织物类: 利用UHMWPE纤维的高能量吸收
性，以针织、机织或无纺织物的形式可开发加
工各类防护服。该纤维的长丝纱可针织加工防 护手套及其防切割用品，其防切割指数达到5级 标准。 由于该纤维的高能量吸收和高断裂强度的综合


超高分子量: 减少末端数，增加作用力
稀溶液: 减少缠结


热处理:
超倍拉伸:
形成折叠链结晶
形成取向的伸直链结晶
工艺流程
→
五. UHMW-PE 纤维的后加工
1．机织加工: 要尽量减少纤维的强度和模量的损失；
织物的实际密度和结构会影响最终产品的性能； 应对试生产产品性能进行全面测试，并结合实际 应用需要提出最佳织物结构方案。 2．针织加工: 不需任何特殊设备或特别的操作技术
构，尽可能减少绳内部的磨损。
4．复合材料结构: 采用电晕放电技术处理纤维或织物可以 改进基体与纤维的粘合性，基体材料一般采用环氧乙烷， 改性乙烯基, 聚酯或聚氨酯树脂。纤维经表面处理后与基体 复合时的固化温度不得超过125℃。
制品形式及用途
（1）绳、缆、索、网、线类： UHMWPE纤维制品重量轻、寿命长，制得的网漏 水量大，而所需拖力小。可制作各种耐海水、耐
极限强度 cN/dtex
405 344 257 255 253 237 213
常规纺丝法 纤维的最大强度 cN/dtex
9.8 10.3 10.3 27.2 10.3 9.8 5.4
分子链的极限强度可由分子链上C－C原子之间的共价键的 强度(0.61N)和分子截面积计算得到： 分子链极限强度(GPa)
Kwolek S.
LEMSTRA P. J.
高分子纤维抗张强度、杨氏模量发展历史示意图
一. 超高分子量聚乙烯纤维发展

用高分子量聚乙烯制备高强纤维的想法诞生 于70年代。Leeds大学I.M.Ward教授于70年
代初首先用熔融纺丝法得到了聚乙烯纤维
（18.0cN/dtex）,转让给美国Celanese公司及意

显然，纤维强度随分子量增加而增大。然而，随分子
量增加，加工过程中大分子的缠结程度亦随之增大， 给加工造成一定的困难。

按分子链断裂理论，当纤维中无限长的大分子
链完全伸展时所得的抗张强度就是大分子链极
限强度的加和。它的分子具有平面锯齿形的简 单结构，没有庞大的侧基，分子链间无较强的 结合键；

这种结构能减少缺陷，也是顺利进行高倍热拉
SK－78纤维强度已达44cN／dtex、模量
1568cN／dtex，发展很快。成为目前世界上最 新的超轻、高比强度、高比模量纤维。