高中化学-超高分子量聚乙烯-课件

L超高分子量聚乙烯概述r —2.

超高分子量聚乙烯纤维生产原理3超

高分子量聚乙烯纤维的性能4超高分子量聚乙烯纤维的应用领域5.行业前景与展望···

·,··.....................L超高分子量聚乙烯概述r —2.超高分子量聚乙烯纤维生产原1L

超高分子量聚乙烯概述1.1

聚乙烯分类聚乙烯是由乙烯基单体自由基聚合而成的聚合物，分

子的结构单元为：

十C

H

2—CH

2t-f

c

H

2—C

H

2卡CH

2= CH

2聚乙烯结构特点：．聚乙烯为线

性聚合物，

-C

-C

-链

为柔性长链，

为热塑性聚合物；．分子对称，

无极性基团存在，

分子间作用力较小；．聚

乙

烯

分子链空间排列呈平面锯齿形，

键

角

为109.3°

;．分子链良好的柔顺性和规整性，

似

的

聚

乙

烯的分子链可以反复折叠并整齐堆砌排列形成结晶。L超高分子量聚乙烯概述1.1聚乙烯分类-f c H2—21.

超高分子量聚乙烯概述聚乙烯按照密度可分为：压法合成，催化剂为HOPE,

中压法或低压法合成，催化剂为Cr系或ZieglerZ-N型或Ti系高效催化剂_.雪..一..一..一..一..一.一.UHMWPE,

Ti系高效催化剂．．．．_L一

..一..一..一..一..一..一..一..一..1.超高分子量聚乙烯概述聚乙烯按照密度可分为：Z-N型或T3L超高分子量聚乙烯概述: 1936

年，

Boe r

在Faraday

学会20

世纪30

年代，

S

tau

di

nger

教授提

：

研

讨

会上，

提出如果由主价键计；出了高强高模高分子必须具备的结构

·：

算完美取向和结晶高分子材料的模型，指

出其大分子必须完美择优取：：

话，

主链方向杨氏模量可达向和结晶。而由范德华力控制; 11000kg/c

m2,屾同 ；的话只有450kg/cm2。这种结构：

模

型只

有在二种极端情况下才能；

实现，

即刚性的分子和非常柔性；

的分子。拉伸方向---二＝＝二L超高分子量聚乙烯概述: 1936年，Boe r在Fa41

超

高分子量聚乙烯概述1.2

超高分子量聚乙烯分子量为80万,-_,50

0万的聚乙烯称为超高分子量聚乙烯，

分子量是超高分子量纤维力学性能的基础，

分子量越高，

端基浓度越小，

增加了大分子链间的相互作用力，

受外力时大分子链间的缠结点与吸引点相互作用，

达到分散作用力的目的。分子量不同赋予聚乙烯不同的性能，

分子量越高，

拉伸强度、表面硬度、耐磨性、耐蠕变、耐老化和耐溶剂性提高，

断裂伸长率降低。n:::::1

.79

X

1as 1.96

X1as1超高分子量聚乙烯概述1.2超高分子量聚乙烯分子51超高分子量聚乙烯概述1.3

超高分子量聚乙烯纤维的发展6000吨尸4500吨?·1

2

0C70S,利兹大心研制出分子量10万的UHMWPE荷兰DSM公司十氢荼溶剂凝胶纺丝法，

申

请

专

利美国Allied

SignaIl1 1990

年

实

现工业化生产l公司购买专利l商品名spectral900/100020C90S 2008 2010 2012［帝斯曼公司生产规模图］己产业化20C80S,中国开始理论研究1超高分子量聚乙烯概述6000吨尸4500吨?·12 0C6结；喷丝孔挤出后在空气或水中冷却凝固成凝胶原丝。保存大分子的解缠状态；通过超倍热延伸凝胶原丝大分子链充分取向和高度结晶。2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理圈一l

溶

解UHMWPE于适当的溶剂中，制成半稀溶液；2.经喷丝孔挤出，以空气或水骤冷纺丝溶液，将其凝固成冻胶原丝，形成折叠链片晶；3通

过萃取、超倍热拉伸大分子链充分取向和高度结晶，折叠链的大分子转变为伸直链结构。高 强 度 、 高 模 量 聚 乙 烯 纤 维是 70 年 代 末 出 现 的 一 种 新 颖 纺 丝 方 法增

塑

熔

融

纺

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法

、

表

面

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。

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术

制

备

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一·一·一·一·一·一·一·一·

一·一·一·一·一·一·一·一·

一·一·一·一·一·一·一·i

除

此

之

外

，

U

H

M

WPE纤维的纺丝方法还有高压固态挤出法、

Iiii是目前UHMWPE纤维唯一可产业化应用的纺丝方法。一·一·

一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·一·结；2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理l溶解UHMWPE于72.超高分子量聚乙烯纤维生产原理1.

十氢萦、石蜡油、煤油可作为溶剂料

解原

溶热

伸加

牵2.

输送－搅拌－加热－加压取

燥萃

干5.

多级牵伸改变分子排列状态4.

将丝条中的溶剂萃取、置换，

萃取剂挥发3.

实现计量泵挤压物料变为丝条喷丝板2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理1.十氢萦、石蜡油料解热82超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.1原料溶解溶解是分子间的作用力被溶剂分子拆散的过程，

溶质和溶剂分子本身及相互间的作用力相对大小将影响溶解进程。超高分子量聚乙烯的分子量极高、分子结构规整，

分子间有强烈的形成结晶的趋势，

结晶度极高，

溶剂分子很难折散这种作用力，因此UHMWPE很难均匀充分溶解，

只

有在高温下才能溶解于二甲苯、十氢萦等少数几种溶剂中。UHMWPE理想的溶剂，低温下溶解，冻胶丝可不经萃取直接牵伸价格昂贵，

我国目前无大量生产价-格--便-宜馆程高，

需增加萃取工艺，

使

用关键为如何降低溶剂在纤维成品中的含量。2超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.1原料溶解UHMWPE理想92.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.

2

丝条纺制双螺杆挤出机螺杆挤出机的作用为物料的传输－搅拌－加热－加压，将纺丝箱喷丝板2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.2 丝条纺制双螺杆挤出102.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.

2

丝条纺制C:Onfl'ni:呻

n

·e油

U'l

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!lllliu'IIOl'i心Ii贮兰吨叫

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心

i响气砦ilaittilnoj1印m

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畴'•••一－＇仙的心 记Jr.山

11iillollllla伽卯

cil壮m2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.2 丝条纺制C:Onf112.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.2

丝条拉伸成型萃取、干燥m胃胃叩Beto,eAfter含有溶剂的冻胶丝条U仆l11111

1

:1

11111111',_-I·11一—.I-l l-将丝条中。通常采U为碳氢清取剂在干可去除。2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.2丝条拉伸成型萃取、干122超高分子量聚乙烯纤维生产原理-－_l＿＇．·, i

i:i:i:-l:i:l-;._i、丿剂溶取萃去（干燥拉伸2.2

丝条拉伸成型冻胶溶液在喷丝孔道内受剪切作用，

部分溶剂析出流入冷浴，大量的溶剂保留于冻胶丝条的网络结构内，

除

去后方能进行有效的高倍拉伸，

通常采用低沸点且易挥发的第二溶剂（萃取剂）置换出高汽化点的第一溶剂。目前所采用的萃取剂有汽油、正已烧，

二甲苯，

四氯化碳，

二氯甲烧、四氯乙烧，

三氯三氪乙炕或其他低沸点碳氢化合物。萃取剂的选择必考虑到萃取效率以及萃取剂的安全性和毒性。- - - - - t-

一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一干燥的目的除了去除大部分残余溶剂和萃取剂外，

更重要的是要使纤维大分子形成折叠链结晶。聚乙烯大分子以大约20nm

厚的折叠链结晶形式存在于纤维中，

结晶体C

轴或大分子链的轴垂直于这种片晶的表面，

为正交晶体结构。大分子链的致密化和规整性增加可大大提高纤维力学性能和热性能，

使

其能承受在较高温度下的热拉伸，

确保

超倍拉伸的顺利进行。2超高分子量聚乙烯纤维生产原理-－_l＿＇．·, ii:i133超高分子量聚乙烯纤维的性能、耐磨性UHMWPE的耐磨性居化纤之首，

并超过某些金属，

U

H

MWPE耐磨性与分子量成正比，分

子量越高，

其耐磨性越好。、耐冲击性UHMWPE的冲击强度很高，

以

致千采用通常冲击试验方法难以使其断裂破坏，

其冲击强度随分子量的增大而提高。、自润滑性UHMWPE有极低的摩擦因数

(

0.05,..

,0

.

l

l

)

,故自润滑性优异。当它以滑动或转动形式工作时，

比

钢和黄铜加润滑油后的润滑性还要好。因此，在

摩

擦学领域UHMWPE被誉为成本／性能非常理想的摩擦材料。3.4、耐化学药品性UHMWPE具有优良的耐化学药品性，

除

强氧化性酸液外，

在

一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质（酸、碱、盐）及有机介质（荼溶剂除外表无任何反常现象，

其外）。在20°C和80°C的80种有机溶剂中浸渍30d,它物理性能也几乎没有变化。3.5、冲击能吸收性UHMW

PE具有优异的冲击能吸收性，

噪声阻尼性能很好，

具

有优消音效果。3超高分子量聚乙烯纤维的性能、耐磨性UHMWPE有极低的摩擦143超

高分子量聚乙烯纤维的性能、耐低温性UHMWPE具有优异的耐低温性，

在液氨温度

C

-2

69

°C

)

下仍具有延展性，

因而能够用作核工业的耐低温部件。、卫生无毒性UHMWPE卫生无毒，

完

全符合日本卫生协会的标准，

并得到美国食品及药物行政管理局和美国农业部的认可，

可用于接触食品和药物。、不粘性UHMWPE表面吸附能力非常微弱，

制

品

表面与其它材料不易粘符。、吸水性小UHMWPE吸水率很低；

一般小于0.01%。密度小于水，

可浮千水面。、拉伸强度UHMWPE具有朝拉伸取向必备的结构特征，纤维比强度是迄今已商品化的所有纤维中最高的，比碳纤维大4倍，

比钢丝大10倍，比芳纶纤维大50%。名称相对密耍UHMWPE密度比其低／％PTFE201256POM1.4133PBTP1.3130PC1.2022PA1.02—1.1

48—18UHMWPE0.943超高分子量聚乙烯纤维的性能、耐低温性名称相对密耍UHMW153.超高分子量聚乙烯纤维的性能纤维种类结晶度t

i取向度拉伸强度I（氓 dt

ex飞拉伸模鱼I(cN·dte!'\·1)断裂伸长率/%％晶区非晶区PPTA纤维21.20570.003.9374.30.9060.904UHMWPE纤维40.051297.001589200990测定困难日- -8.10113014.505200.9190.556聚酰桉纤维8.605.5218.3055.009020.483超高分子量聚乙烯(UHMWPE)

纤维是当今世界上第三大特种纤维，

强度高达30.

BcN/

dt

ex以上，比强度是化纤中最高的，又具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能。3.超高分子量聚乙烯纤维的性能纤维种类结晶度ti取向度拉伸164.超高分子量聚乙烯纤维的应用领域军事船舶I，｀I｀、、、、、、、、,I．．,

＇目前，

UHMWPE已在纺织、造纸、包装、运输、进写、化工、采矿、石油、建筑、电气、食品、医疗、体育等领域得到广泛的应用，

并开始进入常规兵器、船舶、汽车等领域。今后还将扩大到宇航和原子能等领域。它可直接制成绳索、缆绳、渔网和各种织物：

防弹背心和衣服、防切割手套等，

其中防弹衣的防弹效果优于芳纶。超高分子量聚乙烯纤维织成不同纤度的绳索，取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳等。超高分子量聚乙烯

(

UHMWPE

)

纤维的复合材料在军事上已用作装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩、头盔等

体育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。4.超高分子量聚乙烯纤维的应用领域军事船舶I，｀I｀、、、、174.

超高分子量聚乙烯纤维的应用领域超高分子量聚乙烯纤维是当今世界三大高科技纤维（碳纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维）之一，

也是世界上最坚韧的纤维。其“轻薄如纸、坚硬如钢”

，

强度是钢铁的15倍，

比碳纤维和芳纶1414

(凯夫拉纤维）高2倍，

是

目

前

制

造防弹衣的主要材料。．、·44.超高分子量聚乙烯纤维的应用领域超高分子量聚乙烯纤维是当185.

行业前景与展望超高分子量聚乙烯纤维作为世界范围内的稀缺物资，

世界年需求量为5万吨左右，

欧美占70%以上。目前，

全世界产量不足，缺

口很大

，

未来10年内超高分子量聚乙烯纤维的市场年需求量将达10万吨以上，

市

场

潜

力

巨

大

，

前景

广阔

。-新材料是21世纪重点发展的产业，

复

合

化

是

新材料技术发展的重要趋势。近年来，

全球新材料产业以20%左右的速度快速发展，

市场发展趋势良好，

超高分子量聚乙烯纤维为新材料中的代表。5.行业前景与展望超高分子量聚乙烯纤维作为世界范围内的稀缺19高中化学--超高分子量聚乙烯--课件20L超高分子量聚乙烯概述r —2.

超高分子量聚乙烯纤维生产原理3超

高分子量聚乙烯纤维的性能4超高分子量聚乙烯纤维的应用领域5.行业前景与展望···

·,··.....................L超高分子量聚乙烯概述r —2.超高分子量聚乙烯纤维生产原21L

超高分子量聚乙烯概述1.1

聚乙烯分类聚乙烯是由乙烯基单体自由基聚合而成的聚合物，分

子的结构单元为：

十C

H

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2聚乙烯结构特点：．聚乙烯为线

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为热塑性聚合物；．分子对称，

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分子链空间排列呈平面锯齿形，

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为109.3°

;．分子链良好的柔顺性和规整性，

似

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聚

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烯的分子链可以反复折叠并整齐堆砌排列形成结晶。L超高分子量聚乙烯概述1.1聚乙烯分类-f c H2—221.

超高分子量聚乙烯概述聚乙烯按照密度可分为：压法合成，催化剂为HOPE,

中压法或低压法合成，催化剂为Cr系或ZieglerZ-N型或Ti系高效催化剂_.雪..一..一..一..一..一.一.UHMWPE,

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学会20

世纪30

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出其大分子必须完美择优取：：

话，

主链方向杨氏模量可达向和结晶。而由范德华力控制; 11000kg/c

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模

型只

有在二种极端情况下才能；

实现，

即刚性的分子和非常柔性；

的分子。拉伸方向---二＝＝二L超高分子量聚乙烯概述: 1936年，Boe r在Fa241

超

高分子量聚乙烯概述1.2

超高分子量聚乙烯分子量为80万,-_,50

0万的聚乙烯称为超高分子量聚乙烯，

分子量是超高分子量纤维力学性能的基础，

分子量越高，

端基浓度越小，

增加了大分子链间的相互作用力，

受外力时大分子链间的缠结点与吸引点相互作用，

达到分散作用力的目的。分子量不同赋予聚乙烯不同的性能，

分子量越高，

拉伸强度、表面硬度、耐磨性、耐蠕变、耐老化和耐溶剂性提高，

断裂伸长率降低。n:::::1

.79

X

1as 1.96

X1as1超高分子量聚乙烯概述1.2超高分子量聚乙烯分子251超高分子量聚乙烯概述1.3

超高分子量聚乙烯纤维的发展6000吨尸4500吨?·1

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年

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现工业化生产l公司购买专利l商品名spectral900/100020C90S 2008 2010 2012［帝斯曼公司生产规模图］己产业化20C80S,中国开始理论研究1超高分子量聚乙烯概述6000吨尸4500吨?·12 0C26结；喷丝孔挤出后在空气或水中冷却凝固成凝胶原丝。保存大分子的解缠状态；通过超倍热延伸凝胶原丝大分子链充分取向和高度结晶。2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理圈一l

溶

解UHMWPE于适当的溶剂中，制成半稀溶液；2.经喷丝孔挤出，以空气或水骤冷纺丝溶液，将其凝固成冻胶原丝，形成折叠链片晶；3通

过萃取、超倍热拉伸大分子链充分取向和高度结晶，折叠链的大分子转变为伸直链结构。高 强 度 、 高 模 量 聚 乙 烯 纤 维是 70 年 代 末 出 现 的 一 种 新 颖 纺 丝 方 法增

塑

熔

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十氢萦、石蜡油、煤油可作为溶剂料

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干5.

多级牵伸改变分子排列状态4.

将丝条中的溶剂萃取、置换，

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实现计量泵挤压物料变为丝条喷丝板2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理1.十氢萦、石蜡油料解热282超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.1原料溶解溶解是分子间的作用力被溶剂分子拆散的过程，

溶质和溶剂分子本身及相互间的作用力相对大小将影响溶解进程。超高分子量聚乙烯的分子量极高、分子结构规整，

分子间有强烈的形成结晶的趋势，

结晶度极高，

溶剂分子很难折散这种作用力，因此UHMWPE很难均匀充分溶解，

只

有在高温下才能溶解于二甲苯、十氢萦等少数几种溶剂中。UHMWPE理想的溶剂，低温下溶解，冻胶丝可不经萃取直接牵伸价格昂贵，

我国目前无大量生产价-格--便-宜馆程高，

需增加萃取工艺，

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用关键为如何降低溶剂在纤维成品中的含量。2超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.1原料溶解UHMWPE理想292.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.

2

丝条纺制双螺杆挤出机螺杆挤出机的作用为物料的传输－搅拌－加热－加压，将纺丝箱喷丝板2.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.2 丝条纺制双螺杆挤出302.超高分子量聚乙烯纤维生产原理2.

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丝条拉伸成型冻胶溶液在喷丝孔道内受剪切作用，

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除

去后方能进行有效的高倍拉伸，

通常采用低沸点且易挥发的第二溶剂（萃取剂）置换出高汽化点的第一溶剂。目前所采用的萃取剂有汽油、正已烧，

二甲苯，

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二氯甲烧、四氯乙烧，

三氯三氪乙炕或其他低沸点碳氢化合物。萃取剂的选择必考虑到萃取效率以及萃取剂的安全性和毒性。- - - - - t-

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更重要的是要使纤维大分子形成折叠链结晶。聚乙烯大分子以大约20nm

厚的折叠链结晶形式存在于纤维中，

结晶体C

轴或大分子链的轴垂直于这种片晶的表面，

为正交晶体结构。大分子链的致密化和规整性增加可大大提高纤维力学性能和热性能，

使

其能承受在较高温度下的热拉伸，

确保

超倍拉伸的顺利进行。2超高分子量聚乙烯纤维生产原理-－_l＿＇．·, ii:i333超高分子量聚乙烯纤维的性能、耐磨性UHMWPE的耐磨性居化纤之首，

并超过某些金属，

U

H

MWPE耐磨性与分子量成正比，分

子量越高，

其耐磨性越好。、耐冲击性UHMWPE的冲击强度很高，

以

致千采用通常冲击试验方法难以使其断裂破坏，

其冲击强度随分子量的增大而提高。、自润滑性UHMWPE有极低的摩擦因数

(

0.05,..

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)

,故自润滑性优异。当它以滑动或转动形式工作时，

比

钢和黄铜加润滑油后的润滑性还要好。因此，在

摩

擦学领域UHMWPE被誉为成本／性能非常理想的摩擦材料。3.4、耐化学药品性UHMWPE具有优良的耐化学药品性，

除

强氧化性酸液外，

在

一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质（酸、碱、盐）及有机介质（荼溶剂除外表无任何反常现象，

其外）。在20°C和80°C的80种有机溶剂中浸渍30d,它物理性能也几乎没有变化。3.5、冲击能吸收性UHMW

PE具有优异的冲击能吸收性，

噪声阻尼性能很好，

具

有优消音效果。3超高分子量聚乙烯纤维的性能、耐磨性UHMWPE有极低的摩擦343超

高分子量聚乙烯纤维的性能、耐低温性UHMWPE具有优异的耐低温性，

在液氨温度

C

-2

69

°C

)

下仍具有延展性，

因而能够用作核工业的耐低温部件。、卫生无毒性UHMWPE卫生无毒，

完

全符合日本卫生协会的标准，

并得到美国食品及药物行政管理局和美国农业部的认可，

可用于接触食品和药物。、不粘性UHMWPE表面吸附能力非常微弱，

制

品

表面与其它材料不易粘符。、吸水性小UHMWPE吸水率很低；

一般小于0.01%。密度小于水，

可浮千水面。、拉伸强度UHMWPE具有朝拉伸取向必备的结构特征，纤维比强度是迄今已商品化的所有纤维中最高的，比碳纤维大4倍，

比钢丝大10倍，比芳纶纤维大50%。名称相对密耍UHMWPE密度比其低／％PTFE201256POM1.4133PBTP1.3130PC1.2022PA1.02—1.1

48—18UHMWPE0.943超高分子量聚乙烯纤维的性能、耐低温性名称相对密耍UHMW353.超高分子量聚乙烯纤维的性能纤维种类结晶度t

i取向度拉伸强度I（氓 dt

ex飞拉伸模