超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展.docx

1、超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展第1期502011年3月纤维复合材料FIBERCoMPoSITESNlMar.,2011超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展赵刚,赵莉,谢雄军(中国航天第三研究院,北京100074)摘要本文简要介绍了世界高性能纤维主要品种超高分子量聚乙烯纤维的基本性能和主要应用领域,重点归纳了十几年来国内外相关企业的生产,技术和行业发展状况,综合分析了国内外超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料市场的供需趋势,指出了该种纤维行业具有良好的产业发展优势与前景.关键词高性能纤维;超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE纤维,HSHMPE纤维);复合材料市

2、场UltraHighMolecularWeightPolyethyleneFiberMaterialTechnologyandMarketDevelopmentProspectZHAOGang,ZHAOLi,XIEXiongjun(TheThirdResearchAcademyofChinaAerospace,Beijing100074)ABSTRACTThissummarydescribeshighperformancefiber_一ultrahighmolecularweightpolyethylene(UHMWPE)fiberintheword,anditsbasicperformanc

3、eandmainapplicationarea,focusrelatedenterpriseofproduction,technolo?gYandindustrydevelopmentstatus,analysisthemarketofthesupplyanddemandtrendsofthefiberanditscomposites,pointedoutthatthefiberindustryhasdevelopmentadvantageandbroadmarketprospect.KEYWORDSHi小performancefiber;UHMWPEfiber(HSHMPEfiber);Co

4、mpositesmarket1国外超高分子量聚乙烯纤维技术的发展上世纪七十年代后期,以白色粉末状超高分子量聚乙烯为原料,采用全新的冻胶纺丝及超拉伸技术,制得了超高强高模的聚乙烯纤维(也称为超高分子量聚乙烯纤维,简称UHMWPE纤维或HSHMPE纤维),使得世界化学纤维和化学纤维工业开始了新的飞跃.超高分子量聚乙烯纤维具有优异的物理机械性能,成为继碳纤维和芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维,它是目前已经工业化的纤维中强度最高的纤维.就强度而言,目前使用该种纤维制得的绳索可以吊起来的最大重量,是同样粗细钢丝绳吊起的最大重量的8倍.此外,超高分子量聚乙烯纤维的密度小于碳纤维和芳纶纤维,还具有特别优异

5、的耐化学性和耐气候性,高能量吸收性,低导电性,拒水性,在长时间光照下仍能保持高强高模的特性.鉴于超高分子量聚乙烯纤维具有优异的力学性能和其它特种纤维无法比拟的特点,该纤维被称为继碳纤维和芳纶纤维之后又一种主要的高性能纤维,其生产简要工艺流程图见图1.图1UHMWPE纤维生产简要工艺流程1979年,荷兰DSM公司申请了该种纤维一些专利以后,立即引起了世界的广泛关注.随后美国的Allied联合信号公司(即现在的Honeywell公司)购买了该专利,经改进后水平进一步提高.到了九十年代中期,它们的生产规模都达到了1000吨/年.直到上世纪九十年代末以前,国际上只有荷兰DSM公司,美国Allied公司

6、,日本东洋纺公司和三井公司等几家公司形成了专利技术,并已形成工业化规模的生产.随着超高分子量聚乙烯纤维生产的发展,纤维的品质在不断地提高,用途范围也在不断1期赵刚等:超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展扩大.西方这几家公司采用封锁技术,操纵价格等手段,相对垄断了超高分子量聚乙烯纤维国际销售市场,并在相当长时期内将此类产品列为巴黎统筹协议中禁止向社会主义国家出口的军事用品.荷兰的DSM公司最早将其所生产的超高分子量聚乙烯纤维产品命名为高韧性高模量聚乙烯纤维.尽管该种纤维名称有所不同,但所使用的原料都是平均分子量在100万左右,甚至平均分子量在500万以上的线型聚乙烯颗粒.由于超高分子量聚乙烯分子

7、链长,且相互高度缠结,结晶度在60%85%,密度为0.920.94g/cm之间,熔体呈高弹态,粘度极高,几乎没有流动性,难以采用通常的熔融法纺丝制造出高强度高模量的纤维.直到二十世纪七十年代,荷兰DSM公司以粉末状超高分子量聚乙烯采用冻胶纺丝超倍拉伸工艺纺制出高韧性高模量聚乙烯纤维后,以超高分子量聚乙烯为原料实现高性能纤维的工业化生产才有了突破性进展.目前,荷兰的DSM公司,美国的Honeywell公司,日本与荷兰DSM公司在13本联合建立的东洋纺织一DsM公司,以及13本的三井公司都已实现了工业化生产.在国际市场上,其中三个公司先后推出自己的品牌,有Honeywell公司的Spectra90

8、0,Spectra1000和Spetra2000,DSM公司的DyneemaSK60,SK65,SK70,SK75,SK76,SK77等,以及日本三井公司的Tekmilon品牌.2纤维材料的主要特点2.1物理性能一般而言,超高分子量聚乙烯纤维本身具有三种形状:即单丝,复丝和带子,形状规格不同,其物理性能差异较大.理想状态下的该类纤维具有最好的力学性能,故有人称其为纤维之王.国外研究报告称,该纤维因其综合性能优于目前常用的芳纶和碳纤维而可能成为世界上最优秀的增强纤维材料.同时它的比重比水还小,可能是目前世界最轻的高性能工业化纤维.2.2耐气候性能该种纤维具有优异的耐气候性能,在长时问光照下仍能保

9、持其高强高模的特性,这得益于其化学结构的惰性及特殊的物理结构.2.3耐磨耐弯曲性能由于该种纤维具有较低的摩擦系数,因此它具有比其他高性能纤维更加优越的耐磨性能.同时该纤维在具有高强性能的同时又有相对较大的伸长,因此具有良好的耐弯曲形变性能(如表1所示).该种纤维易于制成针织,机织及其他织物,更易于复合加工成型.2.4耐化学腐蚀性能该种纤维由于化学结构单一惰性,并且具有高度取向和高度结晶的结构,因此它能耐绝大部分化学物质腐蚀,只有极少数有机溶剂能使纤维产生轻度溶胀(如表2所示).2.5与其它纤维主要性能的比较该纤维的密度是不锈钢丝的1/8,HM碳纤维的1/2,玻璃纤维的1/2.5,而该种纤维的强

10、度是不锈钢丝强度的5倍,是HM碳纤维和玻璃纤维的1.6倍.由于超高分子量聚乙烯纤维的比强度是不锈钢比强度的40倍,再加之该纤维的模量也高出不锈钢丝的1倍多,因此它是替代金属材料,性能价格比最为合适的高性能纤维品种之一(表3).在工业上它可以大量替代Kevlar纤维(芳纶纤维)和玻璃纤维,制得的增强复合材料制品的体积和重量都有明显的减少,制品的力学性能和操作加工条件得到极大改善.3主要应用领域由于超高分子量聚乙烯纤维具有超高强度,超高模量,低密度,耐磨损,耐低温,耐紫外线,抗屏蔽,柔韧性好,冲击能量吸收高及耐强酸强碱化学腐蚀等众多的优异性能,在航海,航空,航天,防御装备及现代化战争中发挥了举足轻

11、重的作用.使用该纤维加工成产品主要分为四类,即:绳索,纺织织物,无纺织物与复合材料等,产品主要应用领域见表4.表l超高分子量聚乙烯纤维和其它高性能纤维的耐摩擦及耐弯曲性能比较52纤维复合材料2011年表2超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维的耐化学物质腐蚀性能比较浸润6个月后纤维强度保持率(%)HSHMPEKevlar表3超高分子量聚乙烯纤维Spectra系列与其它纤维主要性能的比较表4超高分子量聚乙烯纤维产品的主要用途4国外企业概况萎主皇主上世纪七十年代末期,荷兰帝斯曼DSM公司采的创始公司,也是该种纤维世界上目前产量最高,质1期赵刚等:超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展量最佳的制造商.八十年代

12、美国AlliedSingal公司与荷兰帝斯曼DSM公司合作,在美国成立霍尼韦尔Honeywell公司,生产超高分子量聚乙烯纤维中低端产品,且仅限北美市场销售.日本东洋纺公司和荷兰帝斯曼DSM公司合资在日本成立三井公司,生产超高分子量聚乙烯纤维,销售地区仅限日本本土和中国台湾省.据国外有关资料统计,2008年上述国外三家公司UHMWPE纤维总产能为8500吨/年,实际产量7200吨/年;2009年荷兰DSM公司的总产能已超过10000吨/年,2010年日本Dyneema的产能提高至2400吨/年,单线产能800吨/年.荷日两家均采用干法工艺,美国Honeywell公司采用干喷湿纺工艺.超高分子量

13、聚乙烯纤维产品于八十年代一经问世,就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视,历经十几年的中试,工艺完善,到九十年代中期形成了商品化规模生产.目前,国际市场超高分子量聚乙烯纤维产品被荷兰的DSM公司,美国的Honeywell公司与日本的三井公司所垄断,2005年出版的现代工程材料手册中写到:三家公司都取得了丰厚的利润.根据国际市场目前供不应求状况,三家公司在全球范围不断扩大产量.由于国外三家公司在前期技术购买,工艺试验中投入了数以亿计美金,为了获取高额的回报,三家公司采用封锁技术,操纵价格(某些型号纤维价格高达120万吨)等手段,相对垄断了国际销售市场,并在以前相当长时期内将此类纤维及防弹无纬布产品

14、列为巴黎统筹协议中禁止向社会主义国家出口的军事用品.三家公司高额的价位,相对制约了超高分子量聚乙烯纤维产品在世界更广泛的领域应用和发展.国际上,超高分子量聚乙烯纤维的大量开发,生产和应用是在二十世纪九十年代后期,日益增长的纤维防弹无纬布材料市场需求大大带动了该种纤维产业的逐步完善与发展.由于国外只有上述三家企业拥有超高分子量聚乙烯纤维无纬布的关键生产加工技术和对外供货能力,所以,相对垄断了这一领域的世界高端市场,大大提高了产品的售价,赚取了高额利润.5国内相关企业的发展我国自九十年代末开始超高分子量聚乙烯纤维生产工艺和装备的研究,并开展了中试生产.江苏神泰科技发展有限公司及所属盐城超强高分子材

15、料工程技术研究所先后加入研发行列,主要致力于该种纤维成套装备的技术研发和设备制造及成套工艺技术产业化,并取得了一系列重大理论与实践的突破.随即国内一些企业在江苏神泰科技发展有限公司提供的成套设备与工艺的帮助下,投入中试及小规模工业化生产,至今经过不懈努力其纤维性能已经达到国际水平并具有各自的特色,部分企业已开始进人规模化生产阶段.通过十几年的研究摸索,国内十几家知名公司,成功建成了数十条超高分子量聚乙烯纤维生产线,形成了较为完善的规模化生产能力.它们主要是:北京同益中特种纤维技术开发有限公司;浙江宁波大成新材料股份有限公司;湖南中泰特种装备有限责任公司;北京威斯特特种材料有限公司;北京同益中公司无锡分公司;江苏神泰科技发展有限公司;江苏六甲高分子材料有限公司;广东信达化纤有限公司;山东爱地高分子材料有限公司