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第38章 高强PE纤维

PE纤维,学名超高分子量聚乙烯纤维。研发新一代超高强聚乙烯纤维项目是国家发改委高技术产业化示范工程项目,2010年1月,高强PE纤维及其连续无纬布的制备技术、产业化应用开发荣获国务院颁发的“2009年度国家科学技术进步二等奖”。

一直以来,中国是化纤大国,但不是化纤强国,据专家介绍和有关部门统计,中国的高性能特种纤维的产量仅为世界产量的百分之一。

当今世界三大高性能纤维是:芳纶、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维,目前中国由于技术问题芳纶仅有小量生产;碳纤维尚处在试验和初级生产阶段,产品只能应用在耐磨填料等领域;超高分子量聚乙烯纤维在1999年突破关键性生产技术,现在已经形成规模化生产条件。据报道,美国超高分子量聚乙烯纤维70%用于防弹衣、防弹头盔、军用设施和设备的防弹装甲、航空航天等军事领域,而高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现,是建设现代化强国的重要物资基础,为此,从国家利益出发大力支持与加速发展我国的超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用尤显迫切。

PE纤维的特殊性能:

(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。

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。可用于制造防弹背心和头盔、轻质装甲、船帆、缆绳、光缆补强体降落伞和滤材等。

一、国防军需装备方面

由于该纤维的耐冲击性能好,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。

二、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。

三、民用方面

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。

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。

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。

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,用它作为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。

超高分子量聚乙烯纤维目前属世界范围内的稀缺物资,世界年需求量约5万吨,其中美国占70%。但目前全世界产量不足9000吨,缺口很大。

超高分子量聚乙烯纤维的高端市场是绳网制造业,其次是用于防弹片(UD)。我国超高分子量聚乙烯纤维年产量不足2000吨,主要用于制造防刺服、防弹衣、防弹头盔、绳缆、远洋渔网、劳动防护等,部分纤维出口欧美及亚洲等一些国家和地区。国内国防领域已逐步使用,民用领域应用也在推广使用,每年的市场需求量约在10000吨左右。