超高分子量聚乙烯纤维绞盘绳(UHMWPE Winch Rope)

超高分子量聚乙烯纤维绞盘绳(UHMWPE Winch Rope)

一、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)

超高分子量聚乙烯纤维(英文全称:Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber,简称UHMWPE),又称高强高模聚乙烯纤维,是目前世界上比强度和比模量最高的纤维,其分子量在100万~500万的聚乙烯所纺出的纤维。UHMWPE与碳纤维、芳纶纤维并称当今世界三大高科技特种纤维,是目前世界上强度最高的纤维。

在三大特种纤维中,UHMWPEF质量最轻,化学稳定性好,耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能和抗切割性能最强,是用于航空航天、防弹防刺等国防领域和汽车制造、运动器材、劳动防护用品等民用领域的理想材料。

UHMWPEF的特殊性能
1、高比强度,高比模量。比强度是同等截面钢丝的十多倍,比模量仅次于特级碳纤维。
2、纤维密度低,密度是0.97g/cm3,可浮于水面。
3、断裂伸长低、断裂功大,具有很强的吸收能量的能力,因而具有突出的抗冲击性和抗切割性。
4、抗紫外线辐射,防中子和γ射线,比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高。
5、耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。

UHMWPEF的物理性能:

密度:0.97~0.98g/cm3。比水的密度低,可以漂浮在水上。
强度:2.8~4N/tex。
模量:91~140N/tex。
延伸度:3.5%~3.7%。

冲击吸收能比对位芳酰胺纤维高近一倍,耐磨性好,摩擦系数小,但应力下熔点只有145~160℃。

UHMWPEF的应用前景

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,其中以防弹衣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10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。
  
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、传送带、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。

UHMWPEF的生产状况

该纤维是世界范围内的稀缺物资,生产技术难度极大,目前国际上只有荷兰帝斯曼公司(DSM)、美国霍尼韦尔公司(Honeywell)、日本东洋纺公司(Toyobo)的三家公司能够工业化生产,且年总产量不到9000吨。

上世纪70年代末期,荷兰帝斯曼公司采用凝胶纺丝方法(Gelspinning)纺制超高分子量聚乙烯纤维获得成功,并于1990年开始工业化生产,商标为dyneema。该公司是该纤维的创始公司,也是该纤维世界上产量最高、质量最佳的制造商,年产量约5000吨。80年代美国Allied-Singal公司购买了荷兰帝斯曼公司的专利,开发出了自己的生产工艺并工业化。1990年AlliedSignal公司被霍尼韦尔公司兼并,继续生产超高分子量聚乙烯纤维,商标为spectra,年产量约3000吨。日本东洋纺公司和荷兰帝斯曼公司合资在日本生产超高分子量聚乙烯纤维,商标为dyneema,销售地区仅限日本和中国台湾省,年产量约600吨。

1、荷兰帝斯曼公司的情况。
http://www.dsm.com/

帝斯曼,简称DSM (全称为Koninklijke DSM N.V.或Royal DSM N.V.)是一家专注于生命科学和性能材料的跨国公司。帝斯曼总部位于荷兰希伦。帝斯曼最早是一家国有煤矿开采公司(荷兰国有煤矿公司,Dutch State Mines/De StaatsMijnen),目前帝斯曼的业务主要分五个部分:营养、制药、性能材料、聚合物中间体、基础化学及材料。

2001年美国发生恐怖事件后,以美国为中心的防弹衣用产品需求激增,帝斯曼公司迅速扩建,将生产能力增加10%以上。据报道,2006年荷兰帝斯曼公司计划在美国的北卡罗来纳州Greenville工厂原有生产线的基础上,再新建1条生产线,将使该公司纤维生产线总数达到10条,新装置预计将于2008年早期投产。而且Greenville工厂的产品直到今天主要供应美国军队和执法机构。

2、美国霍尼韦尔公司的情况。
http://www.honeywell.com/

霍尼韦尔国际公司成立于1999年,由原世界两大著名公司—美国联信公司及霍尼韦尔公司合并而成。原美国联信公司的核心业务为航空航天、汽车和工程材料。原霍尼韦尔公司的核心业务为住宅及楼宇控制技术和工业控制以及自动化产品。

美国霍尼韦尔公司至今没有扩产,2006年与帝斯曼公司就有关超高分子量聚乙烯纤维的分歧达成谅解,默认帝斯曼公司在美国境内的不断扩产,其详情不得而知。据悉霍尼韦尔公司生产工艺的主要辅料为氟氯化碳(俗称氟利昂),氟氯化碳的使用给扩产带来了巨大技术障碍。

3、日本东洋纺公司的情况。
http://www.toyobo.co.jp/

2003年4月开始建设新的超高分子量聚乙烯纤维生产线,加上原来的生产装置,使日本的年设计生产能力达到600吨。产品重点放在扩大作业手套、钓鱼线和绳缆市场上。

在未来10年,世界UHMWPEF的年需求量将达到10万吨以上,市场潜力巨大。在我国,UHMWPEF已被列为国家“十一五”期间重点研发的产品。

2009年12月20日,随着第八条UHMWPEF生产线的投产,山东爱地高分子材料有限公司采用自主技术建设的UHMWPEFF一期工程全部完工,这标志着我国首次采用自主技术实现了UHMWPEF的工业化生产。该项目一期工程可实现UHMW-PEF产能2000吨,2010年项目全部达产后,年产量可达5000吨,届时爱地公司UHMWPEF生产规模将居亚洲第一、世界第二。

二、世界三大高科技特种纤维

碳纤维(Carbon Fibre)

顾名思义,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中,时间已过去20多年,它至今仍保持纤维形态。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。

目前世界碳纤维产量达到4万吨/年以上,全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司,以及德国SGL西格里集团,韩国泰光产业,我国台湾省的台塑集团,等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术,并且有规模化大生产。

芳纶纤维(Aramid Fiber)

芳纶纤维全称为”聚对苯二甲酰对苯二胺”,英文为Aramid fiber(杜邦公司的商品名为Kevlar),是一种新型高科技合成纤维,具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的 5~6倍 ,模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在560度的温度下,不分解,不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能,具有很长的生命周期。芳纶的发现,被认为是材料界一个非常重要的历史进程。

自从石棉被公认为是一种强致癌物质以来,世界许多发达国家已开始禁用石棉及其制品。芳纶浆粕是对芳纶纤维进行表面原纤化处理之后便得到的,其独特的表面结构极大地提高了混合物的抓附力,因此非常适合作为一种增强纤维应用于摩擦及密封产品中。事实证明,通常只需添加少于10%的浆粕,得到产品的强度相当于50-60%石棉纤维增强的产品。用于增强摩擦、密封材料等制成品,可作为石棉的替代品用于摩擦密封材料,高性能耐热绝缘纸以及增强复合材料。

芳纶主要分为两种,对位芳酰胺纤维(PPTA)和间位芳酰胺纤维(PMIA),自20世纪60年代由美国杜邦(DuPont)公司成功地开发出芳纶纤维并率先产业化后,产能主要集中在日本和美国、欧洲。如美国杜邦的Kevlar纤维,荷兰阿克苏诺贝尔(Akzo Nobel)公司(已与帝人合并)的Twaron纤维,日本帝人公司的Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。间位芳酰胺纤维的品种有 Nomex、Conex、Fenelon纤维等。

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)绞盘绳的主要性能:(通过640kv/5min工频耐压试验)。

——重量轻,漂浮于水面,比同等直径的钢丝缆绳轻87.5%左右。
——世界上强度最高,比同等直径的钢丝缆绳强度高1.5倍左右。
——优异的耐用性、耐海水、耐化学药品,乃紫外线辐射及温差反复,使用质量不变。
——操作方便、快速,使用安全,操作是时间短,比如军队在特定情况下,机动作战快速能力等。