《纺织科技进展》2024年第7期选登：PE纤维研究进展及其复合材料应用

文献引用格式:熊艳平,张燕,王成.PE纤维研究进展及其复合材料应用[J].纺织科技进展,2024,46(7):15-17,67.

PE纤维研究进展及其复合材料应用

熊艳平,张燕,王成

(北京普凡防护科技股份有限公司,北京100000)

第一作者:熊艳平(1995—),女,研究生,研究方向为复合材料及防护装备。

摘 要:PE纤维材料既有纤维的柔韧性,又兼具PE材料密度小、强度高、模量高等固有优势,与树脂、其他纤维、金属、陶瓷等材料结合,还可以根据需求制备不同种类的高性能PE纤维复合材料。PE纤维复合材料凭借较高的比强度,较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能,已经广泛应用于个体防护装备、装甲防护等领域。综述PE纤维的性能特点、理化指标、制备工艺的研究进展及其产品化制约技术,并总结PE纤维复合材料的应用状况。

关键词:PE纤维;复合材料;高性能;个体防护;装甲防护

超高分子量聚乙烯(PE)纤维凭借强度高、耐腐蚀、耐冲击等优异性能,通过不同的制备方式与不同纤维、树脂、金属及陶瓷等材料织造、复合为高性能纤维复合材料,在单兵防护、装甲防护领域发挥着重要作用[1]。综述PE纤维的性能特点、理化指标、制备工艺的研究进展及其产品化制约技术,总结了PE 纤维复合材料的应用。目前PE纤维如何更好地用于防护领域是目前研发的重点,因此从PE 纤维的性能特点出发,比较不同牌号PE纤维的理化指标,并整理目前PE制备的工艺,分析PE在产品化中的制约因素,总结PE纤维复合材料的应用方向,为个体防护装备领域、装甲防护装备领域发展提供参考。    

1 PE纤维

1.1 性能特点

PE纤维密度小、强度高、模量高、耐冲击、比能量吸收能力强、比弹击载荷力强,因此广泛应用于防弹衣、防弹头盔、防弹盾牌、装甲等。目前密度为0.97g/cm3 的PE纤维,拉伸强度和拉伸模量分别可达3.2~4.0GPa和100~140GPa,断裂伸长率可达3.7%~4.5%。但其耐高温、蠕变性差,温度达到145~155℃时,便会熔化,无法应用高温模压工艺进行加工,且其抗静电性和集束性较差,可用于无纬布织造但不利于梭织布织造[2]。另外,PE 纤维的极限氧指数比较低,通常在26%~28%,阻燃性差。

1.2 理化指标

1978年,荷兰DSM 公司申请了采用干法纺丝技术制备PE纤维的专利。实践证明冻胶纺丝法是工业化制造PE 纤维的有效方法。1985 年,美国Allied Signal公司进行技术改进,形成湿法纺丝工艺,名为“Spectra”。1984年,DSM 公司与日本东洋纺Toyobo公司合作实现了基于干法纺丝技术的PE纤维工业化生产,名为“Dyneema”[3]。表1和表2分别给出荷兰DSM Dyneema和美国霍尼韦尔Spectra纤维的力学性能。

中国对超高分子量聚乙烯纤维的研究开发始于20世纪80年代初,东华大学从1984年起开展相关基础研究,在取得超高分子量聚乙烯纤维湿法纺丝工艺中试研究成果的基础上,东华大学相继与企业合作,使PE纤维走向了产业化。至2014年,中国PE纤维生产企业已发展至近30家,但随着产能与技术迭代优化,截至目前成规模的防弹级PE 纤维生产企业有10余家。

中国纺织科学研究院自1985年研发以十氢萘为溶剂的PE纤维干法纺丝技术,2003年在各研究院的共同努力下完成了“30t/年高性能聚乙烯纤维干法纺丝扩大试验研究”项目,解决了PE干法纺丝过程中十氢萘溶剂的回收问题,于2008年底在仪征化纤建成300t/年高强聚乙烯纤维干法纺丝生产线,该PE纤维干法纺丝工艺与DSM 公司的工艺流程类似。表3和表4给出了国产PE纤维的主要力学性能[4]。

1.3 制备工艺

自PE材料问世,PE纤维的制备工艺在不断发展和改进,目前工业化较为成熟的工艺为冻胶纺丝-超倍拉伸法[5]。经过冻胶纺丝制备的PE纤维通过织造变为织物形态,PE 纤维织造的成品种类多为无纬布形式。无纬布再通过一定的胶膜或胶的层叠或涂覆,经过高温压机,按照一定的温度、时间、压力压制成所需产品。    

2 产品化制约技术

2.1 热稳定性差

由于超高分子量聚乙烯PE的分子结构和分子聚集形态,使得PE纤维对温度较敏感,随着温度的升高,拉伸强度和拉伸模量会下降,蠕变明显,温度达到145~155℃时,便会熔化,在制作防弹复合材料时,无法应用高温模压工艺进行加工,配合使用的树脂体系受到限制,会产生弹击后凹陷大的问题。

DSM 公司的Dyneema SK75纤维单丝在不同温度的测量结果显示,70 ℃时拉伸模量测试值不到室温测定值的一半,随测试温度升高,模量继续下降;当测试温度从室温升高至70 ℃,纤维的拉伸强度下降较少,但在70~150℃区间强度下降很明显[6-7]。

2.2 抗蠕变性差

PE纤维的蠕变行为直接受其承受的外力和温度的影响。其耐高温、蠕变性差,温度达到145~155 ℃时,便会熔化,无法应用高温模压工艺进行加工,且其抗静电性和集束性较差,可用于无纬布织造但不利于梭织布织造[8]。

3 PE纤维复合材料的应用

PE纤维可用于防弹背心和防弹板等,其中防弹衣常温的防弹效果优于芳纶[9-10]。PE 纤维所制备的复合材料在军事上已应用于防弹头盔、防弹板、防弹盾牌等,在军警人体防弹装备和车辆、舰船等大型作战平台的装甲防护中应用更为广泛。

3.1 个体防护装备领域    

PE纤维的抗静电性及集束性差,因此PE纤维的主要应用织物形态均为无纬布[11]。在防弹衣上的应用,软质PE无纬布防弹衣可满足V50值630m/s的防护级别;硬质PE无纬布防弹衣的防护级别则更高。

在防弹头盔的应用方面,2013年美国陆军和海军陆战队开始小批量制造和配备ECH 头盔,分别替代陆军的ACH 头盔和海军陆战队的LWH 头盔。基于热塑性树脂和PE 纤维无纬布的ECH 头盔对碎片的防护能力显著提高。美国陆军开发的ACH Ⅱ代作战头盔,于2020年投入使用,该新型头盔使用PE纤维,头盔质量减少22%,更加轻巧,且硬度高,能够抵挡9mm 手枪和多种弹片的袭击,这将有助于提高士兵的战斗效率。

3.2 装甲防护领域

PE纤维所制备的无纬布经过压制成型为复合装甲板,可用于装备装甲车、坦克、飞机、舰船等,这种复合装甲板轻质高能。从1985年开始,中国历经数十年研究,现在已具有PE纤维工业生产能力,并在防护装甲领域继续深耕[12]。

张佐光[13]在2001年研发了一种可以对54式手枪和7.62mm 的铅芯弹有着很好防护能力的复合防弹板,此种防弹复合板由面板与背板构成,其中面板为玻璃纤维复合材料层或碳纤维复合材料层,背板为PE复合材料层。张佐光[14]在2003年研发了能够有效防护7.62mm 钢芯弹和12.7mm 穿燃弹侵彻的防弹装甲板,此防弹装甲板增加了陶瓷材料,结构以B4C陶瓷为面板、碳纤维为中间层、PE为背板。Peng等[15]研究了不同厚度PE 复合材料的防弹性能,研究发现防弹衣可抵御以810m/s速度射击的燃烧穿甲弹。    

4 结束语

PE纤维由于力学性能优异,且纤维密度低,可使产品具有轻质高能的性能特点,因此成为军工装备防护行业炙手可热的材料。在防弹头盔、防弹插板、装甲板等装备领域,由于产品不断升级,对质量及性能上的要求逐渐提升,其他材料已经无法满足目前的产品需求,因此对于PE纤维的需求也在不断上升。但其热稳定性及抗蠕变性差,也是制约其使用的重要因素,也是目前关注的焦点。针对其热稳定性能差等问题,目前有研究表明,PE纤维可以通过复合其他热稳定性能强的材料制备高性能复合材料,也可以在外表面进行处理,以此改善其环境适应性,提高热稳定性,更好地避免薄弱点,以此提高其在个体防护装备领域及装甲防护装备领域的应用价值。    

参考文献见《纺织科技进展》2024年第7期。

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