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聚乙烯纤维性能特点

聚乙烯纤维的性能特点

超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究X

梁子青1 ,周庆2 ,邱冠雄1 ,王涛2

(1. 天津工业大学复合材料研究所,天津300160 ; 2. 中纺投资发展有限公司研发中心,北京100176)

芳纶纤维的发明在防弹复合材料的发展史上是一个巨大的进步. 采用芳纶织物制成的软质防弹背心在穿着舒适性上取得了革命性的突破. 而UHMWPE 纤维的出现又进一步提高了软质防弹复合材料的防护性能. 与芳纶相比,UHMW2PE 纤维具有更高的强度、模量、比强度、比模量及声波传递速度,这几个因素均与纤维的防弹性能密切相关.一般认为,上述几个指标越高,纤维的防弹性能越好.Lee 等人[1 ]的实验结果表明,UHMWPE 纤维的防弹性能超过以Kevlar 纤维为代表的芳族聚酰胺纤维. 同时,UHMWPE 纤维比芳纶纤维的耐气候老化性要好,并且不吸水,不吸潮,因而对环境的适应性更好. 对个体防护而言,通常在防护等级要求较高的情况下,如主要威胁为尖头弹、钢芯弹时,需要单独使用插板或者将插板与软质防弹背心结合使用,还需要使用头盔. 在防弹头盔的设计中重量因素是除防护性能外最重要的因素,同样防护等级的UHMWPE 纤维头盔和芳纶头盔在重量上有很大的差异, 前者比后者要轻300T0 ~500T0[2 ] . 因此使用UHMWPE 纤维制成的头盔可以最大限度地减轻佩戴者疲劳程度,避免较大重量头盔带来的严重的不舒适感,有利于头盔佩戴者集中精力执行任务. 本文以国产化的UHMWPE 纤维为实验对象,研究了不同基体种类、不同结构的UHMWPE 纤维复合材料的防弹性能,分析了UHMWPE 纤维复合材料在弹道冲击下的响应特征. 另外,本文还研究了基体含量、模压工艺对UHMWPE 纤维复合材料防弹性能的影响。

超高分子量聚乙烯

性能简介

一、性能

UHMWPE极高的分子量(HDPE的分子量通常只有2—30万)赋予其优异的使用性能,而且属于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料。它几乎集中了各种塑料的优点,具有普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲、自润滑、耐腐蚀、吸水冲击能、耐低温、卫生消毒、不易粘附、不易吸水、密度较小等综合功能。事实上,目前还没有一种单纯的高分子材料兼有如此众多的优异性能。

(一)耐磨性

UHMWPE的耐磨性居塑料之冠,并超过一些金属,与其它工程塑料相比,UHMWPE的砂浆磨耗指数仅是PA66的1/5,HDPE和PVC的1/10:与金属相比,是碳钢的1/7,黄铜的1/27。这样高的耐磨性,以致于用一般塑料磨耗实验法难以测试其耐磨程度,因而专门设计了一种砂浆磨耗测试装置。UHMWPE耐磨性与分子量成正比,分子量越高,其耐磨性越好。(二)耐冲击性

UHMWPE的冲击强度,在所有工程塑料中名列前茅,其冲击强度随分子量的增大而提高,在分子量为150万时达到最大值,然后随分子量的继续升高而逐渐下降。值得指出的是,它在液氮中(-196℃)也能保持优异的冲击强度,这一特性是其它塑料所没有的。此外,它在反复冲击后表面硬度更高。

(三)自润滑性

UHMWPE有极低的磨擦因数(0.05-0.11),故自润滑性优异.UHMWPE的动磨擦因数在水润滑条件下是PA66和POM的1/2,在无润滑条件征仅次于塑料中自润滑性最好的聚四氟乙烯(PTEE):当它以滑动或转动形式工作时,比钢和黄铜添加润滑后的润滑性还要好.因此,在磨擦学邻域UNMWPE被誉为成本性能非常理想的磨擦材料.

(四)耐化学药品性

UHMWPE具有优良的耐化学药品性,除强氟化性酸液外,在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质(酸、碱、盐)及有机介质(萘溶剂除外)。其在20℃和80℃的80种有机溶剂浸渍30d,外表无任何反常现象,其它物理性能也几乎没有变化。

(五)冲击能吸收性

UHMWPE具有优异的冲击能吸收性,冲击能吸收值在所有塑料中最高,因而噪音阻尼性很好,具有优良的消音效果。

(六)耐低温性

UHMWPE具有优异的耐低温性能,在液氦温度(-269℃)下仍具有延展性,因而能够用作核工业的耐低温部件。

(七)不粘性

UHMWPE表面吸咐力非常UHMWPE微弱,其抗粘附能力仅次于塑料中不粘性最好的PTEE,因而制品表面与其它材料不易粘附。

(八)憎水性

UHMWPE吸水率很低,一般小于0.01%,仅为PA6的1%,因而在成型加工前一般不必干燥处理。

(九)密度

UHMWPE的密度比其它所有工程塑料都低,一般比PTEE低56%,比POM低33%,比PBTP 低30%,因此其制品非常轻便。

(十)拉伸强度

由于UHMWPE具有超拉伸取向必备的结构特征,所以有无可一敌的超高拉伸强度,因此可通过凝胶法制得超高弹性模量和强度的纤维,其拉伸强度高达3-3.5GPa,拉伸弹性模量高达100-125 GPa,纤维强度迄今商品化的所有纤维最高的,比碳纤维大4倍,比钢丝大10倍,比芳纶纤维大50%。

(十一)其它性能

UHMWPE还具有优良的电气绝缘性能,比HDPE更优良的耐环境应力开裂性,比HDPE更好的耐疲劳性及耐Y---性射线能力。

聚乙烯纤维性能特点

超高分子量聚乙烯的研究现状

苏荣锦1 ,黄安民2

(1 湖南工业大学包装与材料工程学院, 湖南株洲412008;

2 株洲时代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲412008 )

1 UHMWPE的基本性能

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,德国生产的超高分子量聚乙烯相对分子质量早已高达1000万以上。超高分子量聚乙烯是一种新型工程塑料,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,是一种性能非常优异的新型工程塑料。它具有以下优点: (1)耐磨损非常卓越,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; (2)冲击强度极高,比PA6和PP大10倍; (3)能吸收震动冲击和防噪声; (4)摩擦系数很低,远较尼龙及其他塑料为小,能自润滑; (5)不易粘附异物,滑动时有极优良的抗粘着特性; (6)耐化学腐蚀,病可屏蔽原子辐射; (7)工作温度范围可自- 265℃到+ 100℃,低温到- 195℃时,仍能保持很好的韧性和强度,不致脆裂; (8)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; (9)成本低廉。因此在工程塑料中超高分子量聚乙烯是综合性能最佳的工程塑料,它几乎集中了各种塑料的优点。事实上,目前还没有一种单纯的高分子材料兼有如此众多的优异性能。但它也有不足之处,如耐温性能差、硬度低、拉伸强度低以及阻燃性能差等[ 1 ]。

超高分子量聚乙烯纤维的表面处理及其复合材料的性能

曾黎明,邢协明,田晓伟

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维,具有优良的力学性能。其密度只有芳纶纤维的2/3和高模碳纤维的1/2;轴向拉伸性能很高;比拉伸强度是现有高性能纤维中最高的;比拉伸模量除高模碳纤维外也是很高的,较芳纶纤维高得多;还具有优良的耐冲击性能、优良的耐化学腐蚀性、优越的耐磨性能和良好的电绝缘性等优点[1,2;0但是,由于高强聚乙烯纤维轴向高度取向(>95%)和结晶度高(> 99%)的光滑表面,本身由简单的亚甲基组成,使得纤维表面不仅没有任何反应活性点,还不能与树脂形成化学键合,使其表面能低且不易被树脂润湿,又无粗糙的表面以供形成机械啮

合点,这样就严重限制了其在树脂基复合材料中的应用[3]。因此对UHMWPE纤维的表面进行改性处理,提高和树脂基体的粘接性能,扩大在复合材料中的应用,一直是UHMWPE 纤维一个很重要的研究方向。

超高分子量聚乙烯纤维复合材料在防弹领域的应用

李楠,韩辉,李军

中国兵器工业集团第二。一研究所,北京100072

1.1高强、高模、低密度、高能量吸收特性

UHMWPE纤维由于相对分子质量极高(1×106-6×106),主链结合强度高,再an_l=其高度的结晶取向,因此它具有很高的强度和模量。又因其密度小于1 g/cm3,所以它的比拉伸模量是芳纶的4—5倍。同时,其挠曲寿命优于芳纶,断裂伸长率为3.6%,大于芳纶,这一特征使它具有较强的抗冲击性和能量吸收能力,但同时也使纤维的蠕变效应较大,影响织物整体的尺寸稳定性。

1.2其他特性

在化学性质方面。由于UHMWPE纤维具有高结晶度和取向度,分子链排列得很紧密,从而有效地阻止了化学试剂的侵蚀,其耐化学试剂的能力优于芳纶,水对UHMWPE纤维几乎没

有影响,耐光性极佳。UHMWPE纤维耐热性低,其最高应用温度不超过120℃。另外,由于UHMWPE纤维表面具有惰性、非极性、湿润性差等特点,因此在以UHMWPE纤维为增强纤维的复合材料中,纤维与基体的界面粘接强度较低。这一缺陷直接导致该种复合材料受层间剪切、横向拉伸等作用时容易出现分层现象,从而极大地降低了材料的强度。’.总而言之,UHMWPE纤维具有高强度、高模量、高能量吸收特性、耐化学性、耐侯性与防水性等优异功能,目前在军用防弹领域主要应用于个人装甲防护(防弹衣和防弹头盔)以及坦克装甲车辆、军用舰船和武装直升机装甲防护。

超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的现状和发展

陈成泗

宁波大成新材料公司

高强PE纤维又叫超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维,它是70年代末研制成功并于80年代初进入产业化的一种高性能纤维,与碳纤维、芳纶并称为当今世界三大高科技纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有高度取向的伸直链结构,与碳纤维、芳纶纤维相比较,UHMWPE纤维的强度更高;重量更轻,密度只有0.97克/厘米3;化学稳定性更好,具有很强的化学惰性,强酸、强碱溶液及有机溶剂对其强度没有任何影响;j}有很好的耐候性,经1500小时日晒后,纤维强度保持率仍然高达80%,耐紫外性能非常优越;耐低温性好,使用温度可以低至.150℃;之外,UHMwPE纤维的耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能、抗切割性能也是现有高性能纤维中最强的。在安全、防护、航窄、航天、国防装备、车辆制造、造船、lk、体育界发挥着举足轻重的作用。除此之外,UHMWPE纤维在民用工、Ik领域作为抗冲击、减震材料及高性能轻质复合材料也有着广阔的应用前景。

超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料

及其防弹性能的研究进展

郑震1,施楣梧2,周国泰2

超高分子量聚乙烯(1 T卜玎ⅥwPE)纤维是80年代初由荷兰的DSM公司以十氢萘为溶剂,将超高分子量聚乙烯升温形成凝胶,热拉伸后纺丝得到的高性能有机纤维。这种纤维的表面化学惰性,对酸、碱和有机溶剂有很强的抗腐蚀性;由于

分子链上没有不饱和基团,其耐光、热老化性能优良。纤维的密度较低,仅为o 979/甜,但轴向比强度和模量都很高,且能量吸收性和耐磨损性优于芳纶,断裂伸长率大于高强碳纤维,因此,uH—MwPE纤维特别适合作为防护讨料,如用于安全缆绳、安全手套、防护服装等。九十年代初,联合国的法国维和部队就第一次装备了全部用u{.MwPE纤维增强复合材料制成的防弹衣、防弹头盔。但是,聚乙烯纤维是一种非极性材料,经过凝胶热拉伸后,分子链完全伸展,纤维内部高度取向和高度结晶,表面会在拉伸压力下产生一层弱界面层(约10~100run),这些都对复台材料中uH—MwPE纤维与树脂的粘附性有着负面的影响。例如,未处理的1研MwPE鲆维在环氧树脂基体中的单纤拔出强度只有O 5MPa?。近年来,关于u}丑、fwPE纤维增强复合材料的研究越来越多。一方面是对I胁ⅡWPE纤维的表面进行改性,以增强纤维与树脂的粘结强度;另一方面是对常规的热固性树脂进行改性,或开发出新型的树脂基体。树脂基体的性质和含量,特别是与纤维形成的界面层性质,直接影响到复合材料的最终力学性质。例如,预浸10%~20%(wt)酚醛树脂后,15层芳纶热压片的防弹能力与40层简单叠合的芳纶的防弹能力相当”J。同时防弹材料对纤维与树脂的界面粘结强度有一个范围要求”3:粘结强度太低,容易发生界面脱粘,冲击应力不能经树脂进行有效传递,难以充分发挥纤维的增强作用;若粘结强度太高,当受到外界物体冲击时,不仅易产生并生长微裂纹.成为应力集中点,而且不能有效地利用纤维与树脂间的分层来吸收能量,造成纤维失稳被破坏。目前,用于I用MwPE纤维增强复合体系的树脂主要有环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚乙烯树脂等。

1.特性

●20 世纪90 年代初出现的第三代高强高模纤维。

●相对分子质量为100~600 万,

●分子形状为具有方向性线型伸直链结构,

●取向度接近100 % ,

●强度是当今纤维之最,相当于优质钢材的15 倍左右,比碳纤维大2 倍,比芳纶纤维大40 % ,

●密度为0. 97g/ cm3 ,是唯一能够浮在水面上的高性能纤维,是芳纶的2/3,是碳纤维的1/2.

●还具有耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高、摩擦系数低及突出的抗冲击、抗切割等优异性能。