功能材料-超高分子量聚乙烯纖維材料(UHMWPE)在防彈領(lǐng)域的應用

1、 功能材料期末考核題目： 超高分子量聚乙烯纖維材料（UHMWPE)在防彈領(lǐng)域的應用姓 名： 金貴平學 號： 201220100302專 業(yè)： 化學工程與工藝2013-2014年第二學期1摘要  超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維也稱超高模聚乙烯（UHMPE）纖維或伸長鏈聚乙烯纖維（ECPE），是20世紀90年代初出現(xiàn)的第三代高強高模纖維。它的相對分子量為100600萬之間,分子形狀為線型伸直鏈結(jié)構(gòu),取向度接近100%,強度是當今纖維之最,具有良好的機械性能。與其他纖維的性能對比。UHMWPE纖維還具有耐紫外線輻射、耐化學腐蝕、比能量吸收高、介電常數(shù)低、電磁波透射率高、摩擦系數(shù)低及突

2、出的抗沖擊、抗切割等優(yōu)異性能。因此,UHMWPE纖維是制作軟質(zhì)防彈服、防刺衣、輕質(zhì)防彈頭盔、雷達罩、運鈔車防彈裝甲、直升機防彈裝甲、艦艇及遠洋船舶纜繩、輕質(zhì)高壓容器、航天航空結(jié)構(gòu)件、深?？癸L浪網(wǎng)箱、漁網(wǎng)、賽艇、帆船、滑雪撬等的理想材料。由于UHMWPE纖維性能優(yōu)異,應用潛力巨大,因此,近年來UHMWPE纖維及其復合材料受到了國內(nèi)外的普遍關(guān)注。2引言  傳統(tǒng)鋼制防彈材料的防護水平能滿足使用要求，不過重量和剛性嚴重降低了此類材料在使用中的舒適性，而且還存在跳彈傷人的危險.隨著世界高新技術(shù)、纖維合成與紡絲工藝的發(fā)展，高性能纖維得到了不斷發(fā)展創(chuàng)新，目前已進入了一個高速發(fā)展階段，用高性能纖維材

3、料制成的防彈材料質(zhì)輕、柔韌性好、防護效果佳，近年來，各國用高性能纖維材料開發(fā)出了各種軟式、軟硬復合式防彈衣和防彈頭盔。采用芳綸織物制成的軟質(zhì)防彈背心在穿著舒適性上取得了革命性的突破.而UHMWPE纖維的出現(xiàn)又進一步提高了軟質(zhì)防彈復合材料的防護性能。 與芳綸相比，UHMWPE纖維具有更高的強度、模量、比強度、比模量及聲波傳遞速度，這幾個因素均與纖維的防彈性能密切相關(guān). 一般認為，上述幾個指標越高，纖維的防彈性能越好。超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)也稱UHMWPE纖維，是繼碳纖維、Kevlar纖維之后的第三代高性能纖維。1979年由荷蘭DSM公司生的Dyneema(迪尼瑪

4、)纖維，是世界上第一種超高分子量聚乙烯纖維，此后各國相開發(fā)了多種超高分子量聚乙烯，如：美國聯(lián)合信號公司(Allied Signal)Spectra三井石油化的Tekmilon等。國內(nèi)對UHMWPE纖維的研究開發(fā)工作，始于20世紀的80年代初期，經(jīng)過幾十年的研究開發(fā)，國內(nèi)已經(jīng)形成了多家UHMWPE纖維生產(chǎn)廠家。由于UHMWPE纖維具有低密度、高比模量、高比強度、良好的能量吸收性能等優(yōu)點，UHMWPE纖維出現(xiàn)后打破了芳綸纖維在防彈材料領(lǐng)域的壟斷地位，并有逐漸取代芳綸防彈纖維的趨勢。3UHMWPE纖維增強復合材料的準靜態(tài)力學分析 蔡忠龍和冼杏娟對UHMWPE纖維增強復合材料的力學

5、行為進行了一系列研究。UHMWPE纖維增強復合材料的軸向壓縮性能較低，即使處理后的sK66環(huán)氧復合材料的軸向壓縮強度也只有544MPa(sK66是UHMWPE纖維的商品名)。試樣受壓縮達70極限荷載時開始產(chǎn)生塑性形變，并逐漸增大，出現(xiàn)剪切破壞，直至試樣失效，但并不斷開。這類材料壓縮破壞的主要機理是UHMWPE纖維受壓失穩(wěn)彎折界面脫粘。此外，UHMWPE纖維增強復合材料的彎曲性能也很低，如處理后的SK66環(huán)氧復合材料的彎曲強度最高只有150MPa，約為拉伸強度的17。在彎矩作用下，受壓部分的承載超過SK66纖維的壓縮強度時，纖維失穩(wěn)，從而導致分層；受拉部分由于纖維與樹脂的脫粘產(chǎn)生分層。逐層失效，

6、最后韌性彎曲破壞。受彎分層是這類材料主要彎曲破壞機理。冼杏娟等人進一步研冗了UHMWPE纖維增強復合材料的斷裂韌性和裂縫擴展，。她們采用三點彎曲加載方式，試樣單邊缺口，缺口長度(a)和試樣寬度(w)之比為0 3，用長焦顯微鏡觀測拍攝變形和斷裂裂縫的擴展。實驗表明：LDPE基體較環(huán)氧基體有更高的斷裂韌性，因而能吸收更多的能量。LDPE基體在彎曲荷載達到臨界值時，裂縫頂端鈍化，在裂縫附近受剪部位，纖維脫粘而發(fā)白。若采用單向UHMWPE纖維增強樹脂，試樣中纖維垂直于缺口方向會出現(xiàn)裂縫增長；采用I脅UHMWPE纖維正交編織布增強樹脂，試樣的缺口頂端會出現(xiàn)鈍化，累積的塑性變形可能引起微觀裂紋，

7、成為應力集中點，導致塑性破壞。4.制法4.1高壓固態(tài)擠出法 該方法是將一定量的超高分子量聚乙烯置于耐高壓擠出裝置內(nèi)加熱熔融,然后以每平方厘米數(shù)千公斤的壓力將聚乙烯熔體從噴孔擠出，隨即進行高倍拉伸。在高剪切力和拉伸張力的作用下，UHMWPE大分子鏈得到充分伸展，以此來獲得纖維的高強度。由于在固相取向過程中難于形成貫穿于結(jié)晶間的分子鏈束，因而限制了纖維的高度拉伸，纖維強度也相應受到限制，并且對設備耐壓要求很高，因而這種方法難于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。4.2增塑熔融紡絲法 將超高分子量聚乙烯和較低熔點的固體石蠟用雙螺桿在一定的條件下捏合，再將捏合物通過?？跀D出，冷卻和固化后進行拉伸制得高強高模聚乙烯纖維。如

8、15-80份特性粘度為5dl/g的超高分子量聚乙烯，和85-20份熔點為40-120 ，分子量2000的固體石蠟用雙螺桿進行熔融捏合，螺桿溫度為190-280，然后通過溫度為210-300的模口擠出。擠出物被冷卻固化后在60-140 溫度下進行拉伸，拉伸倍數(shù)>10。制得強度>20cN/dtex，模量>700cN/dtex的UHMWPE纖維4.3表面結(jié)晶生長法  將聚乙烯、聚丙烯等結(jié)晶高分子用如二甲苯等溶劑加熱溶解成濃度為0.4%1.0wt%溶液，溫度為110。然后將溶液置于由兩個同心圓柱所構(gòu)成的結(jié)晶裝置內(nèi)，（結(jié)晶容器在Colloid a

9、nd Polymer Sci.253，460 (1975)中已有描述）均勻轉(zhuǎn)動裝置內(nèi)的轉(zhuǎn)子，同心圓柱間隙盡可能小，轉(zhuǎn)子表面最好稍有毛糙，則可在轉(zhuǎn)子表面生成PE或PP的凝膠膜。接著向紡絲溶液中投入晶種，誘導結(jié)晶生成和長大，同時進行拉絲，拉絲速度要和結(jié)晶速度匹配，并使串晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為伸直鏈結(jié)構(gòu)，從而賦予纖維很好的強度與模量.4.4 凝膠紡絲熱拉伸法  該法是基于 TipContact法的原理而開發(fā)的，本法是將 UHMWPE粉末（分子量一般為 1×106以上）以十氫萘、石蠟油或煤油為溶劑，加適量抗氧化劑

10、，制成稀溶液，經(jīng)噴絲孔擠出后驟冷成凝膠原絲，再對凝膠原絲進行萃取和干燥，隨后超倍拉伸可制得實驗室最高強度為 60cN/dtex、模量為 2205cN/dtex的 UHMWPE 纖維。UHMWPE 的溶解是大分子解纏的過程。而凝膠原絲的形成實際上是UHMWPE大分子在凝膠原絲中保持解纏狀態(tài)，該狀態(tài)為其后的大分子充分伸展奠定了基礎。超倍拉伸不僅使纖維的結(jié)晶度、取向度得到提高，而且又使呈折疊鏈的片晶結(jié)構(gòu)向伸直鏈轉(zhuǎn)化，從而極大的改善了制得纖維的強度和模量。5UHMWPE纖維優(yōu)點。5.1、相對密度小  目前已商品化的幾種UHMWPE纖維，相對密

11、度為0979cm3，是所有高性能纖維中密度最小的，是鋁的l，3和鋼的18，是芳綸的23，碳纖維的12；UHMWPE纖維復合材料要比芳綸復合材料輕20，比碳纖維復合材料CERP輕30。5.2、比模量、比強度高  UHMWPE纖維具有很高的主鏈結(jié)合強度。再加上其高度結(jié)晶取向，使纖維具有很高的強度和模量。UHMWPE纖維是目前高性能纖維中比強度最高的纖維，比芳綸高35，比碳纖維高50；其比模量也很高(僅低于碳纖維，高于其他纖維)的纖維，是芳綸的25倍，而且由于該纖維有常規(guī)準靜態(tài)條件下較高的模量，能造成高的聲速傳播，從而使得它在防護子彈沖擊時的能量吸收和應力波傳遞優(yōu)于其它纖維。 5

12、.3、其它物理化學優(yōu)異性能  UHMWPE纖維的表面呈化學惰性，耐化學試劑強于芳綸，具有較強的耐酸、耐堿及多種化學試劑，水對它的強度幾乎沒有影響。耐光性也很好，在紫外線照射1500h后強度保持率為90，耐磨性、耐彎曲性在各類高性能纖維中也是最高的。 6.UHMWPE纖維在防彈材料上的應用6.1、防彈衣  自從上世紀60年代以來，防彈衣的發(fā)展非常迅速，重量逐步減輕而性能逐漸增強，其發(fā)展經(jīng)歷了硬體防彈衣和軟體防彈衣2個階段，前者因為佩戴舒適性較差而被后者淘汰。軟體防彈衣有以Kelver纖維、碳纖維及Spectra（UHMWPE纖維的商品牌號）纖維為基材而制得

13、的。Spectra纖維因其密度小。防彈性能好而受到普遍重視。Spectra的結(jié)構(gòu)和自身性質(zhì)決定了用Spectra纖維制成的防彈衣具有防水、對化學介質(zhì)不起反應、能抵御連發(fā)槍彈等性能。因此，無論是重量還是防彈能力上均優(yōu)于以往材料.6.2、防彈頭盔及輕型防彈裝甲   頭作為人體最重要的部分之一，在防彈上尤為重要。在研制和生產(chǎn)防彈頭盔是，一般要考慮防彈能力、防護面積、佩戴穩(wěn)定性和舒適性等因素。由UHMWPE纖維制得的防彈頭盔一般是采用纖維織物與熱塑性樹脂層壓制成，壽命長、質(zhì)量小、佩戴舒適。 在現(xiàn)代軍事裝備中，對防彈裝甲的研究越來越重視所開發(fā)的裝甲材料包括纖維裝甲

14、、陶瓷裝甲、透明裝甲和金屬裝甲4類。由于金屬裝甲、陶瓷裝甲和透明裝甲存在著或比重大或耐環(huán)境性能差的缺點，發(fā)展無機非金屬防彈裝甲材料就顯得更有意義。隨著科技的發(fā)展，無機非金屬防彈裝甲材料先后經(jīng)歷了尼龍纖維、Kevlar纖維和UHMwPE纖維等階段。后者斟其優(yōu)越的性能而備受關(guān)注。6.3存在的不足及改進措施 UHMWPE纖維作為防彈材料uHMwPE纖維存在以下不足：高結(jié)晶度和高取向度，大分子截面積小，非極性性質(zhì)使它難于潤濕，不與基體發(fā)生化學反應而不產(chǎn)生交聯(lián)，界面效果差，熔點低，高溫下使用時強度降低、蠕變性明顯增大，制成防彈背和頭盔時，對鈍傷的防護不夠。6.3.1、界面性能差  由

15、于uHMwPE纖維分子鏈的惰性和非極性，纖維與機體之間的界面粘度強度低，影響了uHMwPE纖維復合材料的力學性能，尤其是層間剪切、橫向拉伸和斷裂韌性等性能，限制了它在結(jié)構(gòu)材料卜的應用。因此，在應用UHMWPE纖維制防彈材料或結(jié)構(gòu)材料時，常常需要對其進行改性或表面處理，以改善其界面性能。但是，表面改性會對UHMWPE纖維的強度有影響，采用時應慎重考慮。在現(xiàn)階段的研究中，常使用的表面處理方法有：液態(tài)氧化法、等離子體處理法、輻射接枝處理法、電暈放電處理法、光氧化表面處理法、光致交聯(lián)處理法等，有時采用幾種方法復合使用，效果更佳。上海華東理工大學的洛玉祥等人在UHMWPE的表面處理上做了不少研究。6.3

16、.2、對鈍傷防護能力差  這主要是由于纖維制成防彈衣時，為了考慮穿戴的舒適性而造成的。在其中加入Dyneema防護板，有利于對鈍傷的防護。7市場前景  國內(nèi)對防彈材料的需求起步于公安、武警、保安等市場，全國警察、保安、武警等每年實際采購的數(shù)量約為200噸年左右，并每年以25左右遞增。專家估計，包含其它民用方面(如各種大型公共場所、體育場館、民航設施、高檔汽車等)對超高分子量聚乙烯纖維無緯布防彈材料的需求，今后正常年份僅中國國內(nèi)就將達到5000噸以上的市場需求量。 國內(nèi)纖維防彈材料與國外產(chǎn)品存在較大的差距。究其根本原因是國內(nèi)企業(yè)在纖維展絲、連續(xù)化生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)方面仍未突破。此

17、外，國內(nèi)企業(yè)對材料防彈性能、環(huán)境適應性等方面的研究不夠深入，沒有形成完整的數(shù)據(jù)參數(shù)，在材料的防彈機理、老化性能等方面沒有形成系統(tǒng)理論，在實際應用中無法提供準確、詳細的技術(shù)支撐，只能憑借以往的經(jīng)驗判斷。總之，地區(qū)沖突不斷、暴力事件層出使個體防護材料的研制和開發(fā)得到了快速發(fā)展，同時也為我國特種防護材料的發(fā)展帶來了巨大契機。  超高分子量聚乙烯纖維無緯布防彈材料的國產(chǎn)化在中國國內(nèi)剛剛啟動，其總體供應能力為每年1000噸左右，只占世界同類產(chǎn)品總產(chǎn)量4000噸的25左右，遠遠不能滿足全球市場需求。據(jù)統(tǒng)計，目前所有中國國內(nèi)生產(chǎn)的纖維防彈材料80左右的產(chǎn)量實際都為出口市場服務，國內(nèi)防彈衣

18、市場上每年還需要進口約200噸左右的芳綸纖維防彈材料來滿足需求。所以，國產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維防彈材料供應缺口仍然很大，替代進口芳綸纖維防彈材料的市場空間更大。  超高分子量聚乙烯纖維防彈無緯布材料的國際市場前景廣闊。特別是隨著我國經(jīng)濟健康快速地發(fā)展，不斷增長的國內(nèi)軍警裝備采購市場將十分誘人。目前，中國已逐漸成為此類產(chǎn)品全球加工供應中心之一。這個市場格局趨勢的日益形成，對從事國內(nèi)此類產(chǎn)品的生產(chǎn)供應型企業(yè)來說，可能會在今后的全球供應市場上搶先占有一席之地，歷史機遇十分難得。 參考文獻1、高性能纖維防彈材料的基本種類、結(jié)構(gòu)及其防彈性能 作者:王波 期刊：輕紡工業(yè)與技術(shù)2010 39（4）2、超高分子量聚乙烯纖維防彈復合材料的研究 作者:梁子青 周慶 邱冠雄 王濤 期刊：天津工業(yè)大學學報2003 22（2） 3、 超高分子量聚乙烯纖維增強復合材料及其防彈性能的研究進展 作者：鄭震 施楣梧 周國泰 期刊：