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[摘 要]介绍超高分子量聚乙烯纤维的结构特点，性能及加工方法。描述了纤维在各领域的应用，介绍了国内外生产厂家对超高分子量聚乙烯的改性方法和应用。并指出其今后的发展。
[关键词]超高分子量聚乙烯；聚乙烯纤维；改性；应用
中图分类号：TQ342.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0271-01
超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethelene简称UHMWPE）是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量、耐腐蚀、密度低等特性，是近年来继碳纤维，芳香族聚酰胺类纤维之后出现的第三代高性能纤维，具有其他工程塑料所无法比拟的抗冲击性、耐磨损性、耐化学腐蚀性、耐低温性、耐应力开裂、抗粘附能力、优良的电绝缘性、安全卫生及自身润滑性等性能， 目前已广泛应用于制备防弹衣，防爆头盔，防爆盾牌，安全防护服，特种织布，风筝线，运动器材， 海洋绳缆（如风帆，拖曳线，渔网），高强力复合材料及地工织物。
由于超高分子量聚乙烯 （UHMWPE）树脂的分子量大多在一百万以上，熔融黏度太高，并不能用一般的方式来加工，目前世界知名公司如荷兰DSM，日本Toyobo与美国Allied Signal多以凝胶纺丝工艺（gel spinning process）来制备此种高强力UHMWPE纤维。
1 超高分子量聚乙烯性能和特点
超高分子量聚乙烯一般是指相对分子质量在100万以上的聚乙烯，虽然他的分子结构排列与普通聚乙烯完全相同，但由于它具有非常高的相对分子质量（普通聚乙烯的相对分子质量仅为2万～3万），则赋予他许多普通聚乙烯所没有的优异性能，是一种性能优异的塑料。
1.1 耐磨性能
UHMWPE耐磨损性能非常卓越，砂浆磨损试验表明，比一般碳钢和铜等金属要耐磨数倍、比尼龙耐磨4倍。且随分子量的增大，其耐磨性能也进一步提高，但当分子量达到一定数值时，其耐磨性能不再随分子量的增大而发生变化。
1.2 耐冲击性能
UHMWPE耐冲击强度是目前塑料中最高，其耐冲击强度比PA6和PP大10倍。
1.3 摩擦系数
摩擦系数很低，能自润滑，可与聚四氟乙烯相媲美，是理想的润滑材料。
1.4 耐腐蚀性
UHMWPE纤维具有很强的耐腐蚀性能，在酸碱溶液中强度不会降低，在水中也不会溶胀和水解，并且具有抗紫外线和日光照射以及抗霉的能力，
1.5 耐候性
其使用温度范围可自-265℃到+100℃，低温到-195℃时，仍能保持很好的韧性和强度，不致脆裂；
1.6 拉伸性能
UHMWPE纤维具有超拉伸取向的结构特征，有无可匹敌的超高拉伸强度。其拉伸强度高达3.5GPa，拉伸弹性模量高达125GPa。
1.7 不粘性
UHMWPE表面吸附力非常微弱，其抗粘性仅次于不粘性最好的聚四氟乙烯。
1.8 其他性能
无毒性、无污染、可再循环回收利用，和其他塑料相比有良好的热稳定性和不吸水性，能保持尺寸精度不变形；其成本低廉。
2 UHMWPE成型加工方法
2.1 固态挤出法
此法是将高分子量的聚乙烯置于高温加热装置中熔融，并在极高的压力（～0.24GPa）下，使PE熔体从锥形孔挤出，随即进行高倍热延伸，使结晶区中的折迭链分子能充分伸展，以改善纤维强度。
2.2 区域延伸法
为了避免延伸后的聚合物分子链由伸展状态回折成折迭链，并预防纤维在受热延伸过程中产生热裂解，所以使初生原丝（spunfiber）通过一道狭窄的加热区域（加热温度高于结晶温度Tc），瞬间加热延伸。
2.3 表面成长法
此法是将0.1～0.5wt%的UHMWPE稀薄溶液置于Couette装置内，并在可旋转的圆柱表面上引入晶种，诱导聚乙烯分子链在圆柱表面上结晶成长，等待UHMWPE分子链成长到一定的微纤长度后，再将此纤维从导管中引出。
2.4 超延伸法
此法是将由熔融挤出得到的PE纤维，经由高于其结晶分散温度（crystalline dispersion temperature，Tc，约127℃）延伸20倍以上所得到的纤维。此法可使折迭的聚乙烯大分子链从晶板（lamella）中充分伸展开，并易于使伸展链形成微纤结构。
2.5 凝胶纺丝法
UHMWPE冻胶纺丝过程简述如下：溶解UHMWPE于适当的溶剂中，制成半稀溶液，经喷丝孔挤出，然后以空气或水骤冷纺丝溶液，将其凝固成冻胶原丝。在冻胶原丝中，几乎所有的溶剂被包含其中，因此UHMWPE大分子链的解缠状态被很好地保持下来，而且溶液温度的下降，导致冻胶体中UHMWPE折叠链片晶的形成。这样，通过超倍热拉伸冻胶原丝可使大分子链充分取向和高度结晶，进而使呈折叠链的大分子转变为伸直链，从而制得高强度、高模量纤维
3 UHMWPE的应用
3.1 医疗材料
UHMWPE具有优良的生物相容性，作为生物医用材料已成功应用于人工髋关节的髋臼、人工膝关节的衬垫以及组织支架、输血泵等方面。在股关节中，UHMWPE作为髋臼部件，在髋臼的凹处为金属、陶瓷股骨头旋转、往复运动提供活动空间。
3.2 高性能异型材
UHMWPE可以加工成各种各样的齿轮、轴套、轴瓦、滚轮等，可以提高制品的使用性能、安全性能，降低成本。还可用作纺机中受力极大的部件，目前国外在每台织机上采用UHMWPE零部件有30多件，如打梭棒、连接器、扫花杆、缓冲块、杆轴套、摆动后梁等零件。
3.3 渔业用品
用UHMWPE纤维编织的捕鱼网，可以减轻鱼网的重量，并且强力大，而且拉网的阻力比普通鱼网减少40%以上，提高了捕鱼效率，又降低了鱼网的破损率。由于减少了网重和拖曳力，可以有效地减少燃料消耗，并且可以更容易和精准地布网，增加网和绳索的使用寿命。
3.4 防弹材料
UHMWPE纤维具有很强的吸收能量的能力，这一特点被用于防弹产品的生产中。用UHMWPE纤维制成的防弹背心重量轻、强度高。UHMWPE纤维制造的UD材料，可以做成复合防弹板，不仅可以用于防弹衣插板，还可以用作运钞车、警车、装甲车以及头盔等的防护材料。
3.5 其他
由于UHMWPE具有无毒性、耐水性及非黏着性，其被指定为可直接与食品接触使用的材料。可用于啤酒、清凉饮料、调味品等的输送线。
4 应用前景
随着产品性能的改进、产品产量的增加和产品成本的降低，高性能聚乙烯纤维的应用领域正在逐步扩展。在传统的防护材料领域，世界各国都在积极进行军事装备的改进与大量配置。随着时代的发展和我国国防现代化建设的需求，我国的军队也将大量需要装备防弹衣、防弹头盔等单兵防护用品；装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩等方面的应用也将增加。
5 结束语
UHMWPE的加工一直是一个世界性的难题，虽然目前已有挤出或注塑的加工技术，但都局限于相对分子质量较低的范围，若能在加工技术方面取得突破性进展，将会有巨大的市场潜力。由于UHMWPE具有卓越的性能，因此开发高附加值的新产品，使其应用于领域更为广阔，其经济效益和社会效益将更好。
[关键词]超高分子量聚乙烯；聚乙烯纤维；改性；应用
中图分类号：TQ342.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0271-01
超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethelene简称UHMWPE）是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量、耐腐蚀、密度低等特性，是近年来继碳纤维，芳香族聚酰胺类纤维之后出现的第三代高性能纤维，具有其他工程塑料所无法比拟的抗冲击性、耐磨损性、耐化学腐蚀性、耐低温性、耐应力开裂、抗粘附能力、优良的电绝缘性、安全卫生及自身润滑性等性能， 目前已广泛应用于制备防弹衣，防爆头盔，防爆盾牌，安全防护服，特种织布，风筝线，运动器材， 海洋绳缆（如风帆，拖曳线，渔网），高强力复合材料及地工织物。
由于超高分子量聚乙烯 （UHMWPE）树脂的分子量大多在一百万以上，熔融黏度太高，并不能用一般的方式来加工，目前世界知名公司如荷兰DSM，日本Toyobo与美国Allied Signal多以凝胶纺丝工艺（gel spinning process）来制备此种高强力UHMWPE纤维。
1 超高分子量聚乙烯性能和特点
超高分子量聚乙烯一般是指相对分子质量在100万以上的聚乙烯，虽然他的分子结构排列与普通聚乙烯完全相同，但由于它具有非常高的相对分子质量（普通聚乙烯的相对分子质量仅为2万～3万），则赋予他许多普通聚乙烯所没有的优异性能，是一种性能优异的塑料。
1.1 耐磨性能
UHMWPE耐磨损性能非常卓越，砂浆磨损试验表明，比一般碳钢和铜等金属要耐磨数倍、比尼龙耐磨4倍。且随分子量的增大，其耐磨性能也进一步提高，但当分子量达到一定数值时，其耐磨性能不再随分子量的增大而发生变化。
1.2 耐冲击性能
UHMWPE耐冲击强度是目前塑料中最高，其耐冲击强度比PA6和PP大10倍。
1.3 摩擦系数
摩擦系数很低，能自润滑，可与聚四氟乙烯相媲美，是理想的润滑材料。
1.4 耐腐蚀性
UHMWPE纤维具有很强的耐腐蚀性能，在酸碱溶液中强度不会降低，在水中也不会溶胀和水解，并且具有抗紫外线和日光照射以及抗霉的能力，
1.5 耐候性
其使用温度范围可自-265℃到+100℃，低温到-195℃时，仍能保持很好的韧性和强度，不致脆裂；
1.6 拉伸性能
UHMWPE纤维具有超拉伸取向的结构特征，有无可匹敌的超高拉伸强度。其拉伸强度高达3.5GPa，拉伸弹性模量高达125GPa。
1.7 不粘性
UHMWPE表面吸附力非常微弱，其抗粘性仅次于不粘性最好的聚四氟乙烯。
1.8 其他性能
无毒性、无污染、可再循环回收利用，和其他塑料相比有良好的热稳定性和不吸水性，能保持尺寸精度不变形；其成本低廉。
2 UHMWPE成型加工方法
2.1 固态挤出法
此法是将高分子量的聚乙烯置于高温加热装置中熔融，并在极高的压力（～0.24GPa）下，使PE熔体从锥形孔挤出，随即进行高倍热延伸，使结晶区中的折迭链分子能充分伸展，以改善纤维强度。
2.2 区域延伸法
为了避免延伸后的聚合物分子链由伸展状态回折成折迭链，并预防纤维在受热延伸过程中产生热裂解，所以使初生原丝（spunfiber）通过一道狭窄的加热区域（加热温度高于结晶温度Tc），瞬间加热延伸。
2.3 表面成长法
此法是将0.1～0.5wt%的UHMWPE稀薄溶液置于Couette装置内，并在可旋转的圆柱表面上引入晶种，诱导聚乙烯分子链在圆柱表面上结晶成长，等待UHMWPE分子链成长到一定的微纤长度后，再将此纤维从导管中引出。
2.4 超延伸法
此法是将由熔融挤出得到的PE纤维，经由高于其结晶分散温度（crystalline dispersion temperature，Tc，约127℃）延伸20倍以上所得到的纤维。此法可使折迭的聚乙烯大分子链从晶板（lamella）中充分伸展开，并易于使伸展链形成微纤结构。
2.5 凝胶纺丝法
UHMWPE冻胶纺丝过程简述如下：溶解UHMWPE于适当的溶剂中，制成半稀溶液，经喷丝孔挤出，然后以空气或水骤冷纺丝溶液，将其凝固成冻胶原丝。在冻胶原丝中，几乎所有的溶剂被包含其中，因此UHMWPE大分子链的解缠状态被很好地保持下来，而且溶液温度的下降，导致冻胶体中UHMWPE折叠链片晶的形成。这样，通过超倍热拉伸冻胶原丝可使大分子链充分取向和高度结晶，进而使呈折叠链的大分子转变为伸直链，从而制得高强度、高模量纤维
3 UHMWPE的应用
3.1 医疗材料
UHMWPE具有优良的生物相容性，作为生物医用材料已成功应用于人工髋关节的髋臼、人工膝关节的衬垫以及组织支架、输血泵等方面。在股关节中，UHMWPE作为髋臼部件，在髋臼的凹处为金属、陶瓷股骨头旋转、往复运动提供活动空间。
3.2 高性能异型材
UHMWPE可以加工成各种各样的齿轮、轴套、轴瓦、滚轮等，可以提高制品的使用性能、安全性能，降低成本。还可用作纺机中受力极大的部件，目前国外在每台织机上采用UHMWPE零部件有30多件，如打梭棒、连接器、扫花杆、缓冲块、杆轴套、摆动后梁等零件。
3.3 渔业用品
用UHMWPE纤维编织的捕鱼网，可以减轻鱼网的重量，并且强力大，而且拉网的阻力比普通鱼网减少40%以上，提高了捕鱼效率，又降低了鱼网的破损率。由于减少了网重和拖曳力，可以有效地减少燃料消耗，并且可以更容易和精准地布网，增加网和绳索的使用寿命。
3.4 防弹材料
UHMWPE纤维具有很强的吸收能量的能力，这一特点被用于防弹产品的生产中。用UHMWPE纤维制成的防弹背心重量轻、强度高。UHMWPE纤维制造的UD材料，可以做成复合防弹板，不仅可以用于防弹衣插板，还可以用作运钞车、警车、装甲车以及头盔等的防护材料。
3.5 其他
由于UHMWPE具有无毒性、耐水性及非黏着性，其被指定为可直接与食品接触使用的材料。可用于啤酒、清凉饮料、调味品等的输送线。
4 应用前景
随着产品性能的改进、产品产量的增加和产品成本的降低，高性能聚乙烯纤维的应用领域正在逐步扩展。在传统的防护材料领域，世界各国都在积极进行军事装备的改进与大量配置。随着时代的发展和我国国防现代化建设的需求，我国的军队也将大量需要装备防弹衣、防弹头盔等单兵防护用品；装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩等方面的应用也将增加。
5 结束语
UHMWPE的加工一直是一个世界性的难题，虽然目前已有挤出或注塑的加工技术，但都局限于相对分子质量较低的范围，若能在加工技术方面取得突破性进展，将会有巨大的市场潜力。由于UHMWPE具有卓越的性能，因此开发高附加值的新产品，使其应用于领域更为广阔，其经济效益和社会效益将更好。