摘 要：介绍了碳纤维、芳纶纤维与高强PE纤维的性能特点及其国内发展现状，对高强PE纤维的主要性能及应用领域进行了详细的阐述，对选用高性能化学纤维具有指导意义。
关键词：化纤纤维；碳纤维；芳纶纤维；高强PE纤维
0 引 言
化学纤维是用天然的或人工合成的高分子物质为原料，经过化学或物理方法加工而制得的纤维的统称。随着技术的进步和市场的推动，化学纤维技术在近几十年内得到了迅猛的发展，化学纤维性能得到了极大的提高，早已不是传统意义上的低性能的制衣原料了，在多种指标上已远远超过常用的金属。并且，由于化学纤维具备的一些独特的性能，它们在国防工业以及高科技领域得到了广泛的应用，这些具有优良性能的纤维统称为高性能化学纤维（或高性能纤维）。
1高性能化学纤维
碳纤维、芳纶纤维与高强高模聚乙烯纤维并称为当今世界三大具有高科技含量的高性能化学纤维。
碳纤维是指由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量为90%以上的纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为100GPa左右。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人等。
具有刚性分子链的芳纶纤维，如美国的Kevlar（美国杜邦公司开发的平行链芳族聚酰胺纤维）、日本东洋纺公司的Zylon（一种新型PBO纤维的商品名），其最突出的特点是: ①高强度、高模量、密度低，比强度极高；②伸长率低，长期蠕变小，尺寸稳定性好；③耐高温和耐低温性都很好。
近年来，随着科学技术水平的提高，高性能化学纤维的科研成果不断被创新，高性能化纤的品种也不断增加。这其中，碳纤维、芳纶纤维和高强高模聚乙烯纤维（又称高强PE）并称当今世界三大高科技纤维。而高强PE是继碳纤维和芳纶纤维之后出现的第三代、也是目前世界上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维。
高强PE是20世纪90年代初出现的高性能纤维，由于这种纤维的高分子量、高交联度、高取向度和高结晶度，强度高达30.8cN/dtex，比强度是化纤中最高的，因而被誉为超强纤维。此外，这种纤维还具有密度低、重量轻、模量高、价电常数低、耐紫外线、耐腐蚀、抗冲击、防切口等特点，又具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能。但高强PE也有其弱点，它在持续荷载下的抗延伸性相对较低，不耐高温，一般应使用在98℃温度环境以下。
2主要性能特点
2.1 主要性能对比
高强PE与碳纤维和芳纶纤维主要性能指标的对比分别如表1和图1所示。
2.2 高强PE的主要性能
高强PE的主要性能如下：
1）高强度：强度是普通常用纤维的40～50倍、芳纶纤维的1.4倍、同等重量条件下优质钢的15倍；
2）高模量：仅次于特级碳纤维；
3）低密度：密度仅0．97 g/cm3 ，可以浮在水面上、小于芳纶纤维(密度1.44 g/cm3)、碳纤维(1.81 g/cm3)、钢丝(7.75 g/cm3)，是超高强度纤维中最轻的。
4）断裂伸长低、强度高、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韧性；
5）在满足性能要求的同时，不仅减轻重量，而且减小体积；
6）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。
7）耐腐蚀，耐酸碱；
8）具有优异的耐磨性，不仅有高模量，而且柔软，有较长的挠曲寿命。
2.3 高强PE基本物理性能
高强PE基本物理性能如下表：
3国内高性能化学纤维的发展现状
由于美国、荷兰、日本等特种纤维生产大国严格的技术封锁，我国在特种高性能纤维的研究和生产方面一直处于比较落后的技术水平。
目前，国内特种碳纤维的需求绝大部分完全依赖进口，国内碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能特种碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理和价格过高等，技术水平相当于国外七、八十年代中、末期水平，与国外差距达二十年左右。
芳纶纤维国内生产技术在单丝直径均匀性、集束性方面一直存在问题，工艺难关未能攻克，至今未能形成批量生产，与国外差距很大。
由于高强PE纤维较碳纤维有更好的性价比，因此自问世以来，其产销量年增长速度超过了另两类特种纤维芳纶和碳纤维，表现出强劲的市场潜力。同时，由于我国的高强PE纤维技术近年来取得了重大的技术突破，国内以上海东华大学为主研究的工艺技术及制成的纤维已经达到或部分超越了国外同类纤维，并且实现了批量生产，技术的可行性、量产的工艺性等方面都比较稳定，因此极大地推动了高强PE纤维市场在国内的发展，产销量连续以年均20%以上的速度增长。
4高强PE的应用简介
由于高强PE的比强度是化纤中最高的，又具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等较独特的优良性能，因此广泛应用于以下领域：
4.1 海洋工程
高强PE纤维缆绳具有轻质量、高强度、使用周期长、耐磨、耐湿、耐腐蚀等特性，使缆绳的断裂负荷大大提高，完全可替代钢缆，是缆绳首选最佳材料。
高强PE纤维编制的缆绳可广泛应用于各吨位船舶、海洋操作平台、灯塔等的固定锚绳，船舶、渔业及海洋石油工业领域。绳索能漂浮在水上，柔软且伸长小，因此便于使用。高安全性、易操作和漂浮易回收，同时该纤维绳解决了以往使用钢缆遇到的锈蚀以及和尼龙、聚酯缆绳遇到的腐蚀、水解、紫外降解等引起缆绳强度降低、断裂而需经常进行更换的难题，使其倍受欢迎。
高强PE纤维也是高强绳索、深海网箱、超级拖网所需原材料的几乎唯一选择。
4.2 光缆行业
高强PE纤维超常连续拉丝长度和优异的耐磨性、较轻的质量和优良的柔韧性，使其可制造光缆加强芯，与芳纶纤维相比，具有更高强度和抗拉力等优异性能，且使用成本低，已成为光缆用大长度芳纶的替代品。大量用在软光缆上，达到双芯光缆标准，成为通信领域新一代光缆制造中“强力构件”的新宠。
4.3 航空航天行业
911之后，美国强制飞机驾驶舱内壁必须做一层高强PE纤维，欧洲也在计划作类似的规定。目前，美国的两条UD生产线的产品几乎全部用作美国国内和飞抵美国的飞机座舱防弹门的材料。在航空航天领域，神舟飞船已经使用了我国生产的高强PE纤维，用作降落伞绳、海洋回收系统中的缆绳等。
4.4 军事和警用防护行业
高强PE纤维无纬布复合片材，具有高能量吸收和冲击波递散能力，强度可达到30cN/dtex以上，是制作防弹衣、防弹头盔、防刺衣、运钞车和装甲坦克的防弹板的核心材料，大量用于防弹领域。美军于2001年1月开始陆续装备的“拦截者”防弹衣，主要以高强聚乙烯纤维制成软制防弹层，以碳化硼陶瓷制成防弹插板；法国维和部队配备防弹衣以及防弹插板都是采用高强PE纤维制成，全套质量不超过5kg，能抵御北约5.56mm、俄制7.62mm突击步枪普通弹的攻击。复合片材优良的防水和耐化学品性能，保证了其在洗涤和使用过程中的高度耐用性，并大大减轻产品的重量，如头盔就可以减轻300－400g，相当于壳体重量的40%。
高强PE纤维无纬布是防切割手套的首选材料，防刺能力可达达1000N，可用于生产针织防护手套，具有防割防刺和耐冲击的特性。
4.5 体育用品
高强PE纤维具有高强度、低密度和耐磨损的特性，可用于钓鱼线、渔网、风筝线、滑翔伞索、弓弦、雪橇和滑水板等体育用品制造。
参考文献：
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论文作者:陈兴球, 徐哲,蒋平
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年18期
论文发表时间:2019/11/7
标签：纤维论文; 碳纤维论文; 高性能论文; 化学纤维论文; 强度论文; 缆绳论文; 性能论文; 《工程管理前沿》2019年18期论文;