纖維用超高分子量聚乙烯研究進(jìn)展

唐 璐，郭正陽，雷世龍，劉萃蓮，王 迎

（中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013）

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種相對(duì)分子質(zhì)量極大的線型結(jié)構(gòu)聚乙烯，由于具有異于通用聚乙烯的諸多優(yōu)異性能而被廣泛研究與應(yīng)用。UHMWPE 纖維是將UHMWPE 原料通過凝膠紡絲法制備出的一種高性能纖維，其強(qiáng)度、模量高，機(jī)械性能優(yōu)異，已在軍工、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一般來說，UHMWPE 粉料的相對(duì)分子質(zhì)量分布、顆粒形態(tài)、粒徑分布等性能參數(shù)會(huì)受到催化劑、聚合工藝等因素的影響，而這些性能參數(shù)又會(huì)影響聚合物粉料的可加工性，進(jìn)而影響產(chǎn)品性能。因此，為了得到性能優(yōu)異的UHMWPE 纖維，需要從UHMWPE 原料及纖維制備這兩個(gè)方面進(jìn)行探究。

本文綜述了UHMWPE 及其纖維的性能及發(fā)展現(xiàn)狀，并從催化劑和工藝的角度概述了UHMWPE的制備方法，介紹了UHMWPE 纖維的制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)今后的研究方向提出了建議。

1 UHMWPE 及其纖維的性能及發(fā)展現(xiàn)狀

UHMWPE 是一種熱塑性工程塑料，是指具有線型結(jié)構(gòu)、黏均相對(duì)分子質(zhì)量在1.5×106以上的聚乙烯，具有強(qiáng)度和模量高，耐磨性、耐腐蝕性、抗黏附性、自潤(rùn)滑性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在軍工、國(guó)防、紡織、化工機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。材料的性能通常與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，UHMWPE 具有直鏈結(jié)構(gòu)和良好的分子鏈柔順性，因而具有一些通用聚乙烯和其他工程塑料所不具備的優(yōu)異性能。但UHMWPE 較長(zhǎng)的分子鏈易纏結(jié)，長(zhǎng)鏈流動(dòng)性差，較高的熔體黏度、較低的臨界剪切速率和較窄的成型溫度范圍在一定程度上導(dǎo)致加工難度較大。1958年，德國(guó)Hoechest 公司首次實(shí)現(xiàn)了UHMWPE 的商品化，隨后，美國(guó)Hercules 公司及日本三井化學(xué)相繼投入工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)企業(yè)有德國(guó)CELANESE 公司、美國(guó)Montachem 公司、荷蘭DSM 公司、日本三井化學(xué)、無錫富坤化工有限公司、九江中科鑫星新材料有限公司、上海聯(lián)樂化工科技有限公司及安徽特佳勁精細(xì)化工有限責(zé)任公司等［1］。UHMWPE 制品與其他工程塑料性能的比較見表1［2］。

表1 UHMWPE 制品與其他工程塑料性能的對(duì)比［2］Table 1 Comparison of properties of ultra-high molecular weight polyethylene(UHMWPE) and other engineering plastics［2］

UHMWPE 纖維是UHMWPE 經(jīng)由凝膠紡絲法制備的，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如高斷裂強(qiáng)度、高初始模量和低斷裂伸長(zhǎng)率。相同線密度下，UHMWPE 的抗拉強(qiáng)度僅次于碳纖維，比芳綸高40%，且密度比芳綸更小，綜合性能已經(jīng)超過了芳綸［3］。因此，UHMWPE 纖維、芳綸和碳纖維也被稱為目前可工業(yè)化生產(chǎn)的三大高性能纖維［4］，它們的性能見表2［5］。

表2 幾種纖維單絲的性能［5］Table 2 Properties of several fiber monofils［5］

20 世紀(jì)70 年代，UHMWPE 纖維首先由英國(guó)利茲大學(xué)的Capaccio 和Ward 成功研發(fā)［6］，此后荷蘭DSM 公司用十氫萘作為UHMWPE 的溶劑，發(fā)明了凝膠紡絲法，并于1990 年實(shí)現(xiàn)了UHMWPE纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，商品名稱為“Dyneema?”。美國(guó)Allied Signal（現(xiàn)已被Honeywell 公司兼并）公司將DSM 公司專利中的十氫萘改為礦物油溶劑，于1988 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，商品名為“Spectra?”。此后，日本東洋紡公司與DSM 公司合資生產(chǎn)了Dyneema?纖維。從20 世紀(jì)80 年代開始，日本三井化學(xué)以石蠟為溶劑，采用凝膠擠壓-超倍拉伸法生產(chǎn)UHMWPE 纖維，商品名為“Tekmilon?”。目前世界上生產(chǎn)UHMWPE 纖維的企業(yè)主要有荷蘭DSM 公司、美國(guó)Honeywell 公司、日本東洋紡及三井化學(xué)［7-8］。我國(guó)UHMWPE 纖維的研究起步稍晚，但經(jīng)過多年發(fā)展，UHMWPE 纖維行業(yè)已逐步進(jìn)入了良性發(fā)展軌道，國(guó)產(chǎn)UHMWPE 纖維具備規(guī)?；a(chǎn)能力，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，不僅極大滿足了國(guó)內(nèi)纜繩、防彈、手套三大領(lǐng)域的應(yīng)用需求，且在民用市場(chǎng)進(jìn)行了拓展［9］。目前國(guó)內(nèi)UHMWPE 纖維生產(chǎn)企業(yè)主要有山東愛地高分子材料有限公司、湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司、中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司、寧波大成新材料股份有限公司以及北京同益中特種纖維技術(shù)開發(fā)有限公司等。

2 纖維用UHMWPE 的制備

纖維用UHMWPE 的性質(zhì)與其所用催化劑密切相關(guān)，為了得到具有極大相對(duì)分子質(zhì)量的UHMWPE，需要通過對(duì)乙烯聚合用催化劑的選擇、催化劑的性能進(jìn)行調(diào)控以及對(duì)相應(yīng)聚合工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。UHMWPE 聚合用催化劑與乙烯聚合常用催化劑組分基本相同，但對(duì)催化劑的粒徑大小及分布有更為嚴(yán)格的要求，如果催化劑粒徑分布較寬，則聚合產(chǎn)物粒徑不均，易在加工過程中引起沖擊強(qiáng)度下降、著色不均等問題，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品性能產(chǎn)生不利影響［10］。這就要求UHMWPE 聚合用催化劑具有粒徑分布均勻、堆密度高的特點(diǎn)。制備UHMWPE 主要使用鈦系、鉻系、釩系及單活性中心催化劑，其中，鈦系催化劑是目前應(yīng)用最廣泛的烯烴聚合催化劑，也是合成UHMWPE 的首選催化劑［11］。

早期生產(chǎn)UHMWPE 采用研磨法催化劑，該催化劑存在活性低、粗粉多的不足。隨著Ziegler-Natta 催化體系的發(fā)展，反應(yīng)法催化劑的使用解決了UHMWPE 生產(chǎn)過程中活性低和粗粉多的問題，但產(chǎn)品的堆密度不高［12］。赫徹斯德股份公司［13］公開了一種制備高堆密度UHMWPE 的方法。該方法采用兩步反應(yīng)制備鈦組分：1）四價(jià)鈦化合物Ti（OR1）4-nXn（R1為2 ～8 個(gè)碳原子的相同的或不同的烴基；n 為1 ～4 的整數(shù)，X 為鹵素）與有機(jī)鋁化合物AlR23-mXm（m 為0，1 或2，R2為C1～C12的烷基，X 為鹵素）反應(yīng)得到三價(jià)鈦化合物；2）用有機(jī)鋁化合物對(duì)上述三價(jià)鈦化合物進(jìn)行后處理，生成混合催化劑。在該方法中，通過改變2）中后處理的條件，就有可能在350 ～460 g/L、特別是430 ～460 g/L 的范圍內(nèi)調(diào)整UHMWPE 的堆密度。

赫徹斯德股份公司［14］還公開了一種制備高活性催化劑的方法，使用該催化劑能在聚合溫度大于70 ℃時(shí)制備出平均粒徑100 ～200 μm、且粒徑分布窄的UHMWPE，同時(shí)，該催化劑無需中間分離、清洗和干燥步驟，在反應(yīng)裝置內(nèi)一步即可完成。催化劑制備過程中，首先將一種二烷基鎂化合物R1MgR2（R1和R2為C1～C20烷基、C5～C20環(huán)烷基、C6～C20芳基或C2～C20鏈烯基）與一種鹵化劑X3—C—R3（X 為鹵素；R3為氫、鹵素、C1～C20烷基、C5～C20環(huán)烷基、C6～C20芳基或C2～C20鏈烯基）反應(yīng)，得到產(chǎn)物MgX2，之后用一種可溶于碳?xì)浠衔锏乃膬r(jià)鈦化合物與其反應(yīng)，最后用一種烷基鋁將溶解的鈦化合物還原，并沉積在催化劑載體上，得到目標(biāo)催化劑。第一步制得的平均粒徑小于10 μm、具有窄粒徑分布的MgX2保證了最終得到的UHMWPE 同樣具有窄粒徑分布。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)UHMWPE 較多采用中國(guó)石化北京化工研究院研發(fā)的CMU 催化劑。該催化劑的制備方法為［15］：首先將鹵化鎂溶解于有機(jī)環(huán)氧化合物和有機(jī)磷化合物中，然后加入給電子激活劑形成均勻溶液，最后與助析出劑和過渡金屬鈦的鹵化物及其衍生物作用，得到目標(biāo)催化劑。該催化劑用于乙烯聚合時(shí)活性很高，聚合產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量可調(diào)性強(qiáng)、顆粒形態(tài)好、表觀密度高，市場(chǎng)反應(yīng)良好。在此基礎(chǔ)上，北京化工研究院進(jìn)一步開發(fā)了一種尤其適用于采用氣相流化床聚合工藝的乙烯聚合或共聚合反應(yīng)的催化劑［16］。與應(yīng)用于氣相聚合工藝的其他乙烯聚合用催化劑相比，該催化劑無須采用硅膠等載體，而是將含鎂和鈦的固體物作為載體成分，并將鈦化合物、給電子體和活化劑負(fù)載于載體上，催化劑粒徑分布相對(duì)較窄，平均粒徑較小。

Ziegler-Natta 催化劑中給電子體等第三組分對(duì)催化劑及聚合產(chǎn)物的性能也有明顯影響。胡劍平等［17］討論了第三組分給電子體的種類對(duì)反應(yīng)活性、產(chǎn)物黏均相對(duì)分子質(zhì)量和堆密度的影響。分別采用了含單個(gè)芳基、含兩個(gè)芳基、含烷基以及不含烷基的4 種給電子體作為第三組分，研究結(jié)果表明，催化劑聚合活性及產(chǎn)物粉體堆密度均因帶芳基或烷基給電子體的引入而提高，但隨著芳基數(shù)量的增加，聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量減小，這可能是由于芳基較大的空間位阻影響了乙烯的插入。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所［18］公開了一種引入了磺酸類化合物的UHMWPE 聚合用催化劑體系。制備方法為：首先向低溫TiCl4溶液中加入MgCl2·nC2H5OH 化合物，反應(yīng)一段時(shí)間后過濾并重新加入TiCl4溶液反應(yīng)，然后經(jīng)過濾、洗滌，再加入正己烷和磺酸類化合物回流反應(yīng)，最后經(jīng)洗滌和干燥制得催化劑?；撬犷惢衔锏囊朐诖呋w系中形成了陽離子金屬活性中心，從而能夠與乙烯單體配位，加快鏈增長(zhǎng)速率，提高聚合物相對(duì)分子質(zhì)量和催化活性。用該催化劑制備的UHMWPE 的黏均相對(duì)分子質(zhì)量在3×106以上，且催化劑具有較高的活性（10 ～32 kg/（g·h）），并可通過使用不同的磺酸類化合物來調(diào)控催化劑活性及聚合物相對(duì)分子質(zhì)量。

除此之外，載體的選擇也會(huì)對(duì)催化劑性能產(chǎn)生影響。王方等［19］采用1，4-丁二醇（BDO）作為絡(luò)合沉淀劑，通過再結(jié)晶活化法將納米級(jí)MgCl2晶粒均勻分散在硅膠表面，絡(luò)合物MgCl2·xBDO以納米顆粒的形式均勻分散。由于BDO 的兩個(gè)羥基是活性點(diǎn)，三乙基鋁與MgCl2·xBDO 發(fā)生反應(yīng)能夠形成結(jié)構(gòu)化納米載體，高比表面積不但可有效負(fù)載TiCl4，而且有利于后續(xù)聚合過程中的傳質(zhì)傳熱。乙烯淤漿高壓聚合結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)條件下催化劑活性可高達(dá)1 261 kg/（mol·h·105Pa），所得UHMWPE 的黏均相對(duì)分子質(zhì)量為5.87×106，且結(jié)晶度高，產(chǎn)物接近球形，平均粒徑為68 ～69 μm，具有較好的可加工性。

除了針對(duì)催化劑進(jìn)行性能調(diào)整，聚合工藝與相應(yīng)催化劑的配合也對(duì)高性能UHMWPE 的制備有極大影響。王偉［20］研究了淤漿聚合工藝條件對(duì)UHMWPE 性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，聚合溫度、聚合壓力、三乙基鋁濃度、催化劑濃度、攪拌轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對(duì)UHMWPE 的性能均有影響，而聚合壓力、攪拌轉(zhuǎn)速的提高或聚合溫度、三乙基鋁濃度、催化劑濃度的降低均能提高UHMWPE 的相對(duì)分子質(zhì)量，其中以聚合溫度的影響最為顯著。

北京化工研究院［12］通過控制工藝參數(shù)，提供了一種粉末形態(tài)好、粒徑分布集中、堆密度高、相對(duì)分子質(zhì)量較大的UHMWPE 的制備方法：在一定壓力和溫度下，乙烯在惰性溶劑、含鈦/鎂催化劑組分和有機(jī)鋁化合物的存在下聚合得到UHMWPE。當(dāng)所用催化劑粒徑太大時(shí)，聚合產(chǎn)物的粉末粗、形態(tài)不佳，堆密度低，而粒徑太小時(shí)影響催化劑的收率，因此應(yīng)將催化劑平均粒徑控制在1 ～10 μm。聚合溫度優(yōu)選40 ～90 ℃，溫度太高時(shí)乙烯易發(fā)生自由基聚合，產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量不高；溫度太低時(shí)催化劑活性低或不聚合。聚合壓力優(yōu)選0.1 ～5 MPa，壓力太高時(shí)乙烯單體濃度增加，催化劑活性高，產(chǎn)物堆密度低；壓力太低時(shí)催化劑活性低或者不聚合。

在前述研究［16］的基礎(chǔ)上，北京化工研究院［21］在催化劑、助催化劑的存在下引入外給電子體，進(jìn)行乙烯均聚或與α-烯烴共聚，成功制備出重均相對(duì)分子質(zhì)量為8×105～1×107的UHMWPE。該方法僅通過調(diào)整外給電子體用量即可調(diào)節(jié)聚合產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量，具有顯著的工業(yè)價(jià)值，當(dāng)所用外給電子體四氫呋喃與鈦的摩爾比分別為0.3，0.5，1 時(shí)，在實(shí)驗(yàn)條件下乙烯聚合產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量分別為1.92×106，3.81×106，8.2×106，在所研究的比例范圍內(nèi)呈明顯的正相關(guān)性。

3 UHMWPE 纖維的生產(chǎn)

對(duì)于聚合物纖維，為使其具備超高的強(qiáng)度和模量，需要滿足聚合物相對(duì)分子質(zhì)量極高和分子鏈具有伸直鏈結(jié)構(gòu)這兩個(gè)條件。UHMWPE 大于1.5×106的相對(duì)分子質(zhì)量滿足對(duì)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的要求，但伸直鏈結(jié)構(gòu)需要借助于特殊的成型技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。

UHMWPE 纖維主要采用由荷蘭DSM 公司研制出的凝膠紡絲-超倍拉伸法制備，主要包括凝膠原絲的形成及超倍拉伸兩個(gè)步驟。在制備凝膠原絲時(shí)，首先將UHMWPE 溶于適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑中（如二甲苯、十氫萘、礦物油等），配成半稀狀態(tài)的紡絲原液，適宜的濃度能保證大部分大分子解除纏結(jié)，并保留適當(dāng)數(shù)量的能夠傳遞張力的纏結(jié)點(diǎn)，確保隨后的超倍拉伸過程順利進(jìn)行。紡絲原液經(jīng)噴絲孔噴出，驟冷后形成凝膠原絲，在去除溶劑后進(jìn)行超倍拉伸。拉伸過程不僅可以使凝膠原絲中的大分子取向，促進(jìn)應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶，還能破壞原有的折疊鏈結(jié)晶，使其轉(zhuǎn)變?yōu)樯熘辨溄Y(jié)晶，最終使聚合物纖維具有超高的強(qiáng)度和模量［22］。

根據(jù)有機(jī)溶劑的不同，可將UHMWPE 纖維的凝膠紡絲工藝分為干法（使用高揮發(fā)性溶劑十氫萘，去除溶劑時(shí)無需萃?。┖蜐穹ǎㄊ褂玫蛽]發(fā)性溶劑礦物油等，需要增加萃取步驟以去除溶劑）工藝［4］，代表產(chǎn)品分別為DSM 公司的Dyneema?和Honeywell 公司的Spectra?。近年來，國(guó)內(nèi)外許多公司從溶劑、溶脹工藝、萃取劑、萃取工藝等方面對(duì)凝膠紡絲法進(jìn)行了改進(jìn)［23］。

為了獲得具有優(yōu)異性能的UHMWPE 纖維，原料的結(jié)構(gòu)和性能十分關(guān)鍵。DSM 公司［24］提供了一種制備高性能UHMWPE 纖維的方法，對(duì)所用的UHMWPE 樹脂原料的結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)格的要求，極長(zhǎng)的聚乙烯分子鏈中應(yīng)含有少量的C1～C4烷基支鏈，以提高可加工性，所以可以在乙烯聚合制備UHMWPE 的過程中加入適量的一種或多種共聚單體，如丙烯、丁烯、戊烯或4-甲基戊烯。另外，所用原料可以是單一組分的聚合物，也可以是兩種或多種不同聚合物的混合物，如特性黏度、摩爾質(zhì)量分布、共聚單體或側(cè)基類別與數(shù)目不同的聚合物的混合物。從分子結(jié)構(gòu)上看，如果UHMWPE分子鏈上完全沒有支鏈結(jié)構(gòu)，則不易形成連接UHMWPE 晶區(qū)的系帶分子，其蠕變性能可能會(huì)受到影響［25-26］。這是因?yàn)閁HMWPE 鏈結(jié)構(gòu)中的系帶分子鏈不僅起到將片晶聯(lián)系起來的作用，還能夠在受到外力作用時(shí)滑移伸展、吸收能量，以阻礙微小裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，可以通過分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（如共聚單體的種類、含量及其在聚合物分子鏈間的分布）進(jìn)行UHMWPE 樹脂原料性能的調(diào)控，以滿足UHMWPE 纖維的性能要求［27］。

王新威等［28］比較研究了不同公司生產(chǎn)的紡絲用UHMWPE 樹脂的性能，并進(jìn)行了紡絲試驗(yàn)，探究了不同UHMWPE 纖維產(chǎn)品的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同UHMWPE 樹脂的粒徑及粒徑分布、堆密度、特性黏度、彈性模量、拉伸及屈服強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等參數(shù)存在差異，并最終導(dǎo)致纖維性能存在較大區(qū)別。

用于制備紡絲原液的溶劑也會(huì)對(duì)UHMWPE 纖維性能產(chǎn)生影響。Shcaller 等［29］將硬脂酸、月桂酸、橄欖油和花生油等組成的復(fù)合油作為UHMWPE 的溶劑，將所得纖維與現(xiàn)有的以十氫萘和白油為溶劑制得的纖維進(jìn)行了性能比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)原液濃度為10%時(shí)，十氫萘和白油體系中纖維的拉伸倍數(shù)僅為35 ～45 倍，相應(yīng)的楊氏模量?jī)H為95 ～135 GPa，而復(fù)合油體系中纖維的拉伸倍數(shù)和相應(yīng)的楊氏模量分別高達(dá)60 倍和175 GPa；當(dāng)原液濃度為20%時(shí)，十氫萘和白油體系中纖維的拉伸倍數(shù)僅為20 ～30 倍，相應(yīng)的楊氏模量?jī)H為60 ～90 GPa，而復(fù)合油體系中纖維可達(dá)到40 倍的拉伸倍數(shù)，相應(yīng)的楊氏模量高達(dá)120 GPa。

此外，對(duì)于UHMWPE 纖維的制備，聚合物性能與紡絲工藝的配合對(duì)纖維的最終性能影響極大。中國(guó)紡織科學(xué)研究院［30］提出了一種高強(qiáng)UHMWPE纖維的制造方法，通過匹配原料的相對(duì)分子質(zhì)量、紡絲原液的濃度、噴絲孔的孔徑、長(zhǎng)徑比、擠出速率和紡絲過程中溫控區(qū)的溫度，成功地調(diào)節(jié)了原液擠出后的縱向拉伸流變，解除了部分大分子纏結(jié)點(diǎn)，得到了具有適宜超分子結(jié)構(gòu)的原絲，通過進(jìn)一步超倍拉伸制得了高強(qiáng)度的UHMWPE 纖維。通過控制紡絲工藝參數(shù)，能夠?qū)⒉煌鄬?duì)分子質(zhì)量（1×106～6×106）的聚乙烯原料應(yīng)用于高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備，可以降低生產(chǎn)成本，適合工業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 UHMWPE 纖維的應(yīng)用

UHMWPE 纖維具有諸多優(yōu)異性能，如密度小于水，耐腐蝕性強(qiáng)，耐光老化和熱老化性能優(yōu)異，斷裂伸長(zhǎng)率大于高強(qiáng)度碳纖維，吸能性和耐磨性優(yōu)于Kevlar?纖維，同時(shí)衛(wèi)生無毒，實(shí)際使用時(shí)無需保護(hù)措施。因此，UHMWPE 纖維在國(guó)防、軍工等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，在醫(yī)療器械、汽車、船舶、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景［31］。

UHMWPE 纖維的性能具有較強(qiáng)的時(shí)間依賴性，強(qiáng)度、模量、沖擊破壞能等短期負(fù)荷（沖擊）性能好，但長(zhǎng)期負(fù)載表現(xiàn)出明顯的蠕變，需要進(jìn)一步改善。荷蘭DSM 公司商品名為Max DM20的產(chǎn)品就較好地解決了這一問題，在70 ℃和300 MPa 的條件下，DM20 在10 個(gè)月的時(shí)間里僅伸長(zhǎng)0.2%，根據(jù)時(shí)溫等效原理，這相當(dāng)于它在常溫下25 年的伸長(zhǎng)，而在相同的高溫高壓條件下，普通UHMWPE 纖維僅經(jīng)400 h 就達(dá)到50%的伸長(zhǎng)并斷裂［32］。

此外，當(dāng)UHMWPE 纖維用于制備復(fù)合材料時(shí)，它的表面能較低且與基材的界面黏附力小，很難充分發(fā)揮它高強(qiáng)高模的特性，因此必須對(duì)其進(jìn)行表面處理［31］。UHMWPE 纖維的表面處理方法有很多，如化學(xué)酸蝕［33］、等離子體［34］、電暈放電［35］等。UHMWPE 纖維的表面處理旨在增大纖維的表面能，使其更好地與基體樹脂黏接，充分發(fā)揮它高強(qiáng)高模的特性。

對(duì)于UHMWPE 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，相比于將UHMWPE 纖維加入其他聚合物基體中，將其加入聚乙烯基體中具有潛在的優(yōu)勢(shì)。由于基體和纖維具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在成型過程中，纖維表面會(huì)發(fā)生局部熔融，并在它與基體表面的高分子間產(chǎn)生共晶，使界面結(jié)合力變強(qiáng)，因此纖維在拉伸、沖擊等外力作用下不易產(chǎn)生滑移，更易獲得力學(xué)性能優(yōu)良的復(fù)合材料［31］。使用UHMWPE 纖維對(duì)UHMWPE 進(jìn)行自增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、拉伸模量和抗蠕變性得到明顯提高。與純UHMWPE 相比，纖維含量為60%（φ）的UHMWPE 自增強(qiáng)材料的最大應(yīng)力和模量分別提高了160%和60%，強(qiáng)度極高，尤其適用于生物醫(yī)學(xué)上承重的場(chǎng)合［36］。

5 結(jié)語

目前，UHMWPE 纖維的研發(fā)和生產(chǎn)中仍然存在生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量低、力學(xué)性能遠(yuǎn)低于理論最大值等問題，這些問題需要從原料、聚合工藝、紡絲工藝、生產(chǎn)路線及設(shè)備等多個(gè)方面進(jìn)行針對(duì)性地解決。制備具有適宜相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的UHMWPE 仍是研究者們努力的方向?？梢詮拇呋瘎┗钚浴⒕酆线^程中的催化劑濃度、反應(yīng)溫度、加氫量等因素著手，將催化劑活性與聚合反應(yīng)工藝參數(shù)相匹配，使催化劑的特性最優(yōu)化，進(jìn)而制得滿足UHMWPE 纖維生產(chǎn)要求的聚合物原料。

聚合物粉料的顆粒形態(tài)及粒徑分布對(duì)其加工性能、尤其是熔融行為有很大的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過控制催化劑的顆粒形狀和粒徑分布來調(diào)控聚合物的粉料形態(tài)。有效的調(diào)控手段包括對(duì)催化劑制備過程的反應(yīng)體系濃度、攪拌轉(zhuǎn)速、升溫速率、助析出劑添加量等條件的控制。同時(shí)，體系溶劑、助析出劑和給電子體等組分的相互配合及比例調(diào)整也會(huì)影響催化劑形態(tài)和活性。只有制備出具有適宜粒徑分布的催化劑，才能得到適用于UHMWPE纖維制備的聚乙烯原料，進(jìn)而得到性能優(yōu)異的纖維產(chǎn)品。

此外，對(duì)聚合過程中UHMWPE 纏結(jié)密度的有效控制能夠得到性能更為優(yōu)異的纖維，研究人員還將進(jìn)一步探索紡絲工藝的溶劑選擇，生產(chǎn)路線的優(yōu)化，以及如何降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量、減少生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的污染等課題。相信通過各個(gè)行業(yè)科研人員的通力合作，性能更為優(yōu)異、全面的UHMWPE 纖維將會(huì)在更多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

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