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超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料研究 摘 要：UHMWPE纤维由于其较高的比模量、比强度，还具有耐磨性好、耐冲击性强、不吸水、生物相容性好和比重轻等优点，被广泛应用于各领域。本文介绍了超高分子量聚乙烯纤维常用的制备方法及主要增强复合基体。 关键字：UHMWPE纤维；制备方法；基体；复合材料 1 引言 随着科技的发展，单一材料的性能已难以满足人们的需求。复合材料由于集各组分性能优点于一体，受到人们广泛关注。UHMWPE纤维是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维，其分子量巨大，相对分子量可以达到几百万以上。它不仅比模量、比强度非常高，还具有耐磨性好、耐冲击性强、不吸水、生物相容性好和比重轻等优点，应用领域广泛。 2 UHMWPE纤维制备方法 UHMWPE纤维制备方法较多，目前主要有：凝胶纺丝法、增塑熔融纺丝法、固态挤出法、超拉伸或局部拉伸法。其中，凝胶纺丝法为目前最为成熟的工业化生产方法。 2.1 凝胶纺丝法 凝胶纺丝法目前是制备UHMWPE比较成熟的方法之一，并且已实现工业化。纺丝时，将柔性分子链在半稀溶液中解缠，然后纺丝、结晶，再通过高倍拉伸得到伸展链。含有大量溶剂的初生纤维呈凝胶态，这种初生纤维强度和模量较低，但经过超倍热拉伸后，便可制成高强高模纤维。凝胶纺丝法又分为干法和湿法。现阶段国内生产厂家大都采用湿法路线，并已形成了规模化生产能力。刘海按2%向十氢萘中加入聚乙烯，并加入0.1%的BHT，在搅拌下形成凝胶，经纺丝得到凝胶纤维。 2.2 增塑熔融纺丝法 一般的聚乙烯常用熔融纺丝法进行纺丝，但是UHMWPE分子量太大，加热熔融时熔体的粘度较高，无法通过熔融纺丝制备纤维。如果向其中加入增塑剂改善溶液的流动性，这就是增塑熔融纺丝法。俞波在对高相对分子质量PE进行增塑熔融纺丝时，采用室温下固态的石蜡等代替溶剂，采用螺杆熔融共混代替釜式溶解，将纺丝液中PE浓度提高到20%40%，并采用国产原料，可简化工艺，提高产率，降低成本。 2.3 固态挤出法 固态挤出法是在熔融温度下加工聚合物的一种方式。该法能够获得聚合物的自增材料，能使聚合物在经过口模时发生形变，使聚合物大分子取向，畸变等，从而获得相较于熔融挤出法更高的模量与强度。该法得到的纤维强度较高，但是由于在实际生产过程中受到工艺设备及自身性能的限制，此法很难实现工业化大规模生产。毛旭琳用柱塞式挤出机进行超高分子量聚乙烯的固态挤出，所得制品光滑、透明、密度较大，拉伸强度超过110MPa，拉伸弹性模量高达85GPa。 2.4 超拉伸 超拉伸法是将初生纤维（多为熔纺纤维）先加热到高于结晶温度，然后进行超倍拉伸，从而使折叠链大分子重排，制成伸直链晶结构，即可获得高强高模纤维，但是此法也有一定局限性，最高强度和模量相较于凝胶纺丝还有差距。但是此法工艺环保，设备简单。陈成泗使用低密度聚乙烯原料，并加入聚烯烃弹性体、SEBS、聚乙烯发泡剂均匀混配，使用双螺杆挤出机制得母粒，在通过单螺杆挤出机熔融纺丝，超拉伸后纤维强度可达15-25cN/dteX。 此外还有局部拉伸法、表面结晶生长法等。 3 超高分子量聚乙烯纤维复合基体 UHMWPE纤维复合基体种类较多，大致可分为乙烯基酯类、聚氨酯类、橡胶类、乙烯类、环氧类等。 3.1 聚氨酯 聚氨酯泡沫具有良好的吸能性能，而UHMWPE纤维具有非常好的抗拉性能，采用复合工艺可以很好地把两者的优势结合，其复合材料是理想的制作防弹材料原料。聚氨酯中含有柔性的分子链，其抗弯、抗冲击性能很好，常被用来制作防弹衣。蔡军锋研究发现，UHMWPE纤维高强、高模正好弥补了聚氨酯泡沫塑料的缺陷，以UHMWPE纤维作增强剂制备而成的增强聚氨酯泡沫塑料，能极大地提高材料对爆炸冲击波的衰减性能，在冲击波防护领域有很好的应用前景；同时纤维长度对材料的衰减爆炸冲击波性能有较大的影响。 3.2 橡胶类 橡胶类胶粘剂在粘着时能够表现出良好的成膜性能，胶膜具有的韧性、抗震性以及对有机纤维具有良好的浸润性等优点而被用作防弹类UHMWPE纤维复合材料用树脂基体。目前主要是采用丁苯橡胶、异戊橡胶。橡胶类基体模量越小，防弹性能越好。这启示我们寻找优良的防弹材料应该从模量较小的无定形热塑性弹性体来考虑。谭建理从研究天然橡胶的低温硫化技术与硫化机理出发，在此基础上加入经预处理的超高分子量聚乙烯纤维，制备了超高分子量聚乙烯纤维/天然橡胶复合材料。 3.3 乙烯类 聚乙烯树脂是热塑性树脂，UHMWPE纤维的基体多为高密度聚乙烯树脂，能够得到“无界面”的复合材料。但也存在很多困难，未取向的超高分子量聚乙烯树脂熔融温度（Tm=138）和取向的超高分子量聚乙烯纤维的熔融温度（Tm=146）差别不大；在纤维上涂布熔融结晶的树脂，通常会损坏纤维的力学性能；UHMWPE树脂分子量巨大，模压的时候因粘度高，不易流动，加工困难。黄妍斐将UHMWPE与低粘度低分子量聚乙烯共混，制备了可熔体注塑成型的UHMWPE/LMWPE共混物。为了降低体系粘度，先将5060wt%的LMWPE与UHMWPE挤出成型，再进行熔体注塑成型。 另外其他增强基体还有乙烯基酯类、环氧类、聚丙烯等。 4 总结 UHMWPE纤维具有高强度、高模量、耐腐蚀、重量轻等优点，随着人们的不断研发，在生产工艺，产品改性方面不断取得突破，其可广泛用于民用、体育、军事、医用、土木建筑等许多领域。 参考文献 刘海，周玉惠，胡晓方，等.凝胶纺丝法制备超高分子量聚乙烯纤维延伸性能的研究J.胶体与聚合物，2008，26（1）：20-22. 俞波，朱志学，史丽梅等.高相对分子质量PE的增塑熔融纺丝（）J.合成纤维工业，1997，20（6）：1618 毛旭琳，薛平，李建立.超高分子量聚乙烯的固态挤出研究J.工程塑料应用，2008，36（3）：28-31. 陈成泗，刘淇，徐史安。超高分子量聚乙烯纤维制备方法：中国，201010533593.XP2011-11-08 蔡军锋，易建政，续新宇，等.UHMWPE纤维增强聚氨酯泡沫对爆炸冲击波衰减性能的影响J.高分子材料科学与工程，2009（4）：119-122. 谭建理.超高分子量聚乙烯纤维/天然橡胶复合材料的制备与性能研究D.青岛科技大学，2014. 黄妍斐，徐玲，徐家壮，等.注塑超高分子量聚乙烯的自增强研究C/全国高分子材料科学与工程研讨会学术.2014. 郎彦庆，王耀先等.改性UHMWPE纤维/乙烯基酯树脂复合材料的研究J.功能高分了：学报，2004，17（2）：225. 邱军，王增