第一節 概述

一、高強高模聚乙烯纖維的誕生與發展歷程

高強高模聚乙烯纖維（HSHMPE），又名超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE），也稱伸直鏈聚乙烯纖維（ECPE），其原材料是超高分子量線型聚乙烯。

拉伸法制造高強高模聚乙烯纖維的基礎研究始于20世紀70年代里茲（Leeds）大學的Capaccio和Ward，他們研制了相對分子質量約為10⁵的高模量聚乙烯。其后，Ward采用的熔體擠出多段拉伸法，還有Massachusetts大學的Porter采用的固態擠出法制成了高模PE（HMPE）纖維。這種熔體擠拉法（Extrution-drawing）制成的HMPE纖維，拉伸模量為40～70GPa，拉伸強度為1～1.5GPa。這類HMPE纖維的商業化產品有英國的Bridon纖維和意大利的SNIA纖維，SNIA纖維的拉伸模量為60GPa，斷裂強度為1.3GPa。

1979年，荷蘭DSM公司高級顧問Penning、Smith等發明并申請了采用凍膠紡絲法—超倍熱拉伸技術制備高模聚乙烯纖維的第一個專利。它的問世，打開了聚乙烯在高性能纖維領域應用的大門，標志著合成纖維技術史上一個新的里程碑。之后，美國的Allied公司（現為Honeywell公司）捷足先登，購買了該專利，對有關技術進行了改進后，首先建成了中試生產裝置，并進行了商品化生產，纖維商品名為Spectra900、Spectra1000。表1-1列出了Spectra系列產品的性能。

表1-1 Spectra系列的產品性能

1984年，荷蘭DSM公司與日本東洋紡合資建廠，開發了商品名為Dyneema的高模聚乙烯纖維，表1-2列出了Dyneema系列產品的性能。

1990年，DSM公司在本土的Stamicarbon進行了商品化生產，采用的是以十氫萘為溶劑的技術路線。因該技術路線所得纖維的性能優異，所開發的系列產品Dyneema SK77的纖維強度已達到45g/旦（39.7cN/dtex）、模量1600g/旦（1411.2cN/dtex），引起發達國家的極大興趣和重視，其應用領域不斷拓展，需求量猛增，使得該公司的設備能力一再增大，到1998年設備生產能力已達2500t/a。該纖維在從海上油田的系泊繩到高性能、輕質復合材料的應用方面均顯示出了極大的優勢，在現代化戰爭、防御裝備和海洋開發等領域，發揮著舉足輕重的作用。該纖維的年產量增長勢頭，對已工業化生產近25年的Kevlar纖維形成了有力的競爭，而且這種競爭將會一直持續下去。

表1-2 Dyneema系列產品的性能

在超高分子量聚乙烯纖維研究開發的同期，采用熔融紡絲—高倍熱拉伸技術，以相對分子質量20萬～50萬的高分子量聚乙烯為原料，制取了強度高于13.2cN/dtex、模量高于397～529cN/dtex、伸長率為4%～6%的高強度聚乙烯纖維。該纖維的研究開發成功，在廉價的、強度低于8.82cN/dtex的滌綸、錦綸、丙綸、乙綸等工業用纖維以及價格較高的超高強聚乙烯纖維［又稱超級纖維、高技術纖維，其強度高于26.5cN/dtex］之間，提供了一個性價比適中，軍、民兩用的增強纖維品種。

對于以聚乙烯為原料，采用熔融紡絲—高倍熱拉伸技術制取高強聚乙烯纖維的研究，英國里茲（Leeds）大學的Jan.Ward教授已進行了較深入系統的研究。例如，對不同相對分子質量的聚乙烯，在熔融紡絲、拉伸條件下對纖維性能的影響，聚乙烯纖維的低溫等離子表面處理，輻射交聯提高聚乙烯的耐熱性能和蠕變性能等方面的研究。美國的Celanese、意大利的Snia、英國的Hoechst及Hoechst Celanese等，于20世紀70～80年代，也對該纖維進行了研究開發工作，已商品化生產的，有意大利Snia公司開發的Tenfor纖維和美國Hoechst Celanese公司開發的Certran纖維。以Snia公司開發的Tenfor纖維為例，該纖維目前被開發的品種規格包括單絲和復絲，其中復絲的線密度有67～2000dtex多個品種規格，以適應不同的用途。目前，該纖維被大量地應用于生產防護織物和航海等工業用繩纜、繩索和網具，以替代傳統的金屬繩、纜和馬尼拉麻繩。

國內對高強高模聚乙烯纖維的研究開發始于20世紀80年代初期，當時中國紡織科學研究院曾派人員赴日本筑波纖維高分子材料研究所、三井石油化學公司共同開展了高強高模聚乙烯纖維的基礎研究，以及對所得纖維制品的結構與性能關系進行了研究，并于1989年通過了部級驗收，所開發的高強高模聚乙烯纖維以十氫萘為溶劑，強度為27.3～31.8cN/dtex，模量為722～1091cN/dtex，在“八五”期間被列為國家科學委員會攻關項目，開展工業化小試研究開發工作，建成了年產規模達到噸級的工業化試驗生產線。1985年，中國石化總公司與中國紡織大學（現東華大學）聯合開展了高強高模聚乙烯纖維的研究，并于1992年通過了小試鑒定，得到了強度為25～26cN/dtex，模量為900cN/dtex的高強高模聚乙烯長絲，其生產工藝中選用煤油作為溶劑，采用了以不同餾分的煤油作為萃取劑的凝膠紡絲—高倍拉伸技術，并獲得中國專利，先后轉讓給寧波大成化纖集團、無錫華燕公司和上海經濟技術開發區。由于煤油不屬于良溶劑，因此用該溶劑方案制得的纖維，其強度很難突破25cN/dtex，從而迫使華燕公司的該項目下馬；而寧波大成化纖集團則改變溶劑體系，并采用由全國特種合成纖維信息中心（北京）提供的全套新工藝路線和最佳參數，對拉伸條件進行了較大改進，在60t/a的中試裝置上，制得了平均強度為28cN/dtex的纖維產品。2011年寧波材料所超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維研發團隊，經過兩年多的艱苦拼搏，已經取得了突破性進展，生產線已經能夠批量穩定制備各項力學性能超過SK75（特別是拉伸模量超過SK76，達到國際領先水平）的系列高強高模聚乙烯纖維。

天津工業大學于1993年開展了高強高模聚乙烯纖維的研究，并于1995年取得了階段性進展。北京市國防軍需科技開發部在天津工業大學的科研基礎上，開發了該產品，主要應用于頭盔和防彈服領域。北京合成纖維技術研究所也開發了半熔融紡絲技術。華南理工大學、重慶建筑工程學院、北京航空航天大學等單位，也在不同的方向和領域對高強高模聚乙烯纖維進行了基礎研究和應用研究。天津工業大學程博聞教授的課題組通過技術創新，打破了國外技術的壟斷，開發了一種新型的制備超細UHMWPE纖維的方法——閃蒸紡絲法，填補了我國在這方面的技術空白，目前已經完成了中試試驗。

經過幾十年的研究開發，國內已經形成了多家高強高模聚乙烯纖維生產廠家，其中初具規模的代表廠家有寧波大成材料股份公司、湖南中泰新材料股份公司、中紡投資北京同益中特種纖維技術開發有限公司、南化集團研究院高聚纖維研發中心等。

二、國內外高強高模聚乙烯纖維的生產概況

（一）國外主要生產廠家

1.荷蘭DSM高性能纖維公司

該公司于1991年興建了第一套600t/a的Dyneema纖維生產線，以十氫萘為溶劑，采用UHMWPE（M_r約為300萬）稀溶液（5%）凝膠紡絲—高倍拉伸技術制備纖維。在1996年，該公司增設了第二套400t/a超強絲生產線（SK75），并開始了第三條500t/a超強絲生產線的建設，原計劃生產相當于SK77的世界強度最高的UHMWPE纖維，但在1997年投產時，發現該工藝在技術上仍存在一定的難度，因而改產SK76纖維，之后又興建了1000t/a的新生產線，使其總產能達到2500t/a，成為世界最大的高強高模聚乙烯纖維生產廠。另外，該公司的Heerlen建立了新的Dyneema UD生產線，使其總產能翻了三番，年產量達到數百噸，產品幅度達到160cm，是由并行鋪設的Dyneema纖維構成，經橫向固定用特定聚合物黏結劑加以黏合而成。

2.日本東洋紡公司

該公司于1991年根據DSM的專利技術在慈賀縣大津市綜合研究所設立了80t/a的中試工廠，并開展了Dyneema纖維的市場開拓，當時的纖維強度只有26.4cN/dtex；從1996年8月起，將其產能由150t/a提高到300t/a，并將纖維強度提高到了35.2cN/dtex；到1998年底，產能達到450t/a，2000年和2005年總產能各提高到了600t/a和1000t/a。

3.美國聯合信號公司

該公司的Spectra纖維是于1995年開發成功的，并在1998年將其產能由原來的500t/a提高到900t/a，生產工藝選用以礦物油為溶劑的UHMWPE（M_r約為400萬）稀溶液凝膠紡絲—高倍拉伸技術，其產品特點是模量較高。近幾年，由于Spectra Shield非織造布作為盔甲的銷售形勢走俏，已于1998年完成產能翻番的任務，并使其售價降至每千克44～60美元。

4.日本三井石化公司

多年來，該公司的產能一直徘徊于300t/a的水平。其生產工藝選用以石蠟為溶劑的UHMWPE（M_r約為100萬）溶液（濃度高達20%～40%）凝膠紡絲—高倍拉伸技術。其優點是生產效率較高，但殘余溶劑難以徹底萃取掉，使纖維蠕變相對較大，同時纖維性能至今仍不及Dyneema，因此難以在國際市場上競爭。

國外主要的UHMWPE纖維生產商的產品性能與產能見表1-3。

表1-3 國外主要的UHMWPE纖維生產商的產品性能與產能

（二）國內主要生產廠家

我國在UHMWPE纖維的生產技術方面也取得了可喜的突破，有多家企業已經可以生產出強度高于35cN/dtex的品種，而且至少有3家企業正興建年產數百噸的生產裝置。

1.湖南中泰特種裝備有限責任公司

湖南中泰特種裝備有限責任公司自1999年開始高強PE纖維的開發研究，在2000年擁有了自主知識產權，以國產原料實施連續式寬幅UD材料的生產，其優異的防彈性能，填補了我國在連續式寬幅UD材料制備技術與產品的空白，成為世界上繼DSM公司和Honeywell公司之后，第三家擁有該生產技術的企業，該企業高強高模聚乙烯纖維的生產能力為300t/a，主要生產高強高模聚乙烯纖維非織造布、防彈衣、防彈頭盔等系列產品。該企業在2006年上半年實施了擴產，生產能力為500t/a高強高模聚乙烯纖維及相應的UD材料，2010年高強高模聚乙烯纖維的產量達到5000t/a，以此形成了以纖維生產為基礎，UD材料為重點，發展多類板材和繩索的產業結構。

2.寧波大成新材料股份公司

寧波大成新材料股份公司的前身是寧波大成化纖集團公司，自1996年開始研究開發HSHMPE纖維，于2000年初實現了產業化生產，是世界上第四個能生產高強高模聚乙烯纖維并擁有自主知識產權的生產企業。該公司的一期工程建成了500t/a高強高模聚乙烯纖維及制品生產裝置，主要產品有軟質防彈衣、輕質防彈頭盔、UD無緯防彈布、防彈板材、高性能滑雪杖等。目前，該公司正著手實施二期擴產到1000t/a高強高模聚乙烯纖維的項目。

3.山東愛地高分子材料有限公司

2008年12月20日，隨著第八條高強高模聚乙烯纖維生產線的投產，山東愛地高分子材料有限公司采用自主技術建設的高強高模聚乙烯纖維一期工程完工，這標志著我國首次采用自主技術實現了高強高模聚乙烯纖維的工業化生產。該公司于2005年8月開始了高強高模聚乙烯纖維的產業化研發，他們先后與清華大學、華東理工大學、齊魯石化研究院等科研機構建立產學研合作平臺，陸續建成了7條高強高模聚乙烯纖維生產線，總產能達到2000t/a。全長270m的新生產線通過集成創新，在工藝上又有了許多改進，可實現從投料到成品的無間斷連續化、自動化運行，同時更新了萃取劑，突破了高速高倍熱牽伸等技術瓶頸。經國家纖維質量監督檢驗中心檢測，愛地公司的高強高模聚乙烯纖維達到國際先進水平，現已銷售到北京、廣州等地區，并出口希臘、比利時、葡萄牙等多個國家。

4.上海斯瑞聚合體科技有限公司

自2006年高強高模聚乙烯纖維“斯瑞帕”（SURRPE^TM）項目投入生產以來，已經形成了具有自主知識產權的專有技術。2008年，該公司位于上海桃浦新楊工業園區的高強高模聚乙烯纖維及其復合材料產業化基地正式建成投產。該基地具備了3000t/a斯瑞TMHSHMPE纖維和1000t/a斯瑞丹TMUD防彈片材的生產能力，使我國高強高模聚乙烯纖維系列產品第一次實現了千噸級大規模生產，也使我國該系列產品的產能從1000t/a左右增加到5000t/a。