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超高分子量聚乙烯纤维——防弹衣的主要材料,我国达到国际先进水平

1.前言

AK-47自动步枪产量超过一亿支,是目前世界上产量最大和杀伤力最强的的枪械之一。其使用的7.62毫米枪弹可以在100米距离内击穿6mm厚的钢板,150mm厚的砖块,300mm厚的土层或400mm厚的木板,却未必能击穿仅有2mm厚的高科技防弹纤维材料。

19831025日,美国侵入南美洲岛国格林纳达。战斗中一顶头盔经受住了22发子弹的强烈冲击,其中甚至包括一颗大约23米以外射来的AK-47步枪7.62毫米子弹,但没有一颗子弹能将头盔击穿。抵挡住AK-47子弹的这种头盔材料是芳纶1414(凯夫拉纤维)。当今世界上,除美军外,德国、西班牙、意大利、比利时、新加坡、日本、加拿大等国军队都装备了“凯夫拉”防弹头盔。而世界范围内防弹衣、防弹头盔的生产国仅有荷兰、美国、中国、日本等少数几个国家。

20033月的伊拉克战争中,30多名英军与100多名伊拉克武装分子相遇,有3名身穿防弹衣的英军中弹,其中一个人中了7发子弹未死,一人中了8发子弹未死,还有一人身中12发子弹,防弹衣很好,但因头部中弹而死。中了7发子弹的英国士兵退役后在网站上说中国生产的防弹衣救了他的命。这件防弹衣是由宁波大成新材料公司制造的。中国防弹衣一举成名,从此国际定单不断,销售量飙升。

目前宁波大成公司一年生产防弹衣20万件,几乎可以装备一个中型国家全部的军队,已经成为世界最大的防弹衣生产商。除了满足中国国内公安、武警、保安的需要外,全部出口。目前,英国驻伊拉克部队、驻科威特部队、伊拉克新政府军队及警察、沙特阿拉伯部分军队都是使用中国制造的防弹衣。

无论是防弹衣还是防弹头盔,其全部奥秘几乎都在于防弹材料的性能上。


奇瑞汽车出口到乌拉圭的东方之子防弹轿车,作为政府礼宾车。凯芙拉纤维及超高分子量聚乙烯纤维都是防弹轿车内衬的主要材料,车底防弹材料甚至要求能对反坦克地雷爆炸进行防护。



2.超高分子量聚乙烯纤维介绍

超高分子量聚乙烯纤维(简称UHMWPE),又叫高强PE纤维,是当今世界三大高科技纤维(碳纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维)之一,也是世界上最坚韧的纤维。其“轻薄如纸、坚硬如钢”,强度是钢铁的15倍,比碳纤维和芳纶1414(凯夫拉纤维)还要高2倍,是目前制造防弹衣的主要材料。

超高分子量聚乙烯分子量在150万至800万之间,是普通纤维的数十倍,这也是它名字的由来,具有极其优异的性能。主要包括:

1、结构致密具有很强的化学惰性,强酸碱溶液及有机溶剂对其强度没有任何影响。

2、密度只有0.97/立方厘米,能漂浮水面。

3、吸水率很低,在成型加工前一般不必干燥处理。

4、具有极好的耐气候老化性,抗紫外线,经过日晒1500小时后,纤维强度保持率仍然高达80%

5、对放射线具有优良的遮蔽效果,故可用作核电站的遮蔽板。

6、耐低温,在液氦温度(-269℃)下仍具有延展性,而芳纶纤维到-30℃便失去防弹效能;在液氮中(-195℃)也能保持优异的冲击强度,这一特性是其它塑料所没有的,因而能够用作核工业的耐低温部件。

7、超高分子量聚乙烯纤雏的耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能也是现有高性能纤维中最强的,具有突出的抗冲击和抗切割韧性。一根只有头发四分之一粗的超高分子量聚乙烯纤维,用剪刀都难以剪断。加工完成的纺织物必须用特殊机器才能切割。

8UHMWPE还具有优良的电气绝缘性能。

9、卫生无毒,可用于接触食品和药物。超高分子量聚乙烯纤雏与其它工程塑料相比,主要存在耐热性、刚度和硬度偏低等不足,但可以通过“填充”和“交联”等方法来改善;从耐热性来看,UHMWPE的熔点(136℃)与普通聚乙烯大体相同,但因其分子量大,熔融粘度高,故加工难度大。

该纤维已经广泛应用于武器研发、航空航天、航海、电子、兵器、造船、建材、体育、医疗等诸多领域,国际市场每吨价格高达3万美元以上。因此高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现,也是建设现代化强国的重要物资基础。上世纪90年代以后,生产该类纤维的美国、日本、荷兰等国明确规定,对社会主义国家实行技术封锁和军备产品统筹禁运。中国在突破关键技术后,近几年在该领域发展迅猛。


江苏中益超高分子量聚乙烯碳纳米管复合纤维ZY-102



3.世界超高分子量聚乙烯纤维概况

关于超高分子量聚乙烯纤维的基础理论,早在上世纪30年代就有人提出过;然而真正在技术上取得重大突破的是凝胶纺丝法和增塑纺丝法。上世纪70年代,英国利兹大学的CapaccioWard首先研制成功分子量为10万的高分子量聚乙烯纤维,1975年荷兰帝斯曼公司(DSM)利用十氢萘做溶剂发明了凝胶纺丝法(Gelspinning),成功制备出了UHMWPE纤维,并于1979年申请了专利。此后经过十年的努力研究,证实凝胶纺丝法是制造高强聚乙烯纤维的有效方法,具有工业化前途。由于高强聚乙烯纤维具有优异的性能和广泛的用途,其原材料取得容易,生产成本低廉,立即引起世界工业强国的注意。

1983年日本三井石化公司采用凝胶挤压超倍拉伸法,以石蜡作溶剂,生产超高分子量聚乙烯纤维,商品名为Tekmilon

1984年荷兰帝斯曼公司开始与日本东洋纺织(株式会社)滋贺工厂合资建设生产能力为50/月的中试工厂,商品名为DyneemaSK-60。销售地区仅限日本和中国台湾省,年产量约600吨。

1986年美国的联合信号公司(AlliedSignal)购买了荷兰专利,把溶剂换成了矿物油,开发出了自己的生产工艺并申报了专利,于1988年实现了商业化生产,其纤维商品名为Spectra900Spectra10001990年联合信号公司公司被美国霍尼韦尔公司兼并,继续生产超高分子量聚乙烯纤维,商标为spectra,年产量约3000吨。

1990年荷兰帝斯曼公司的黑尔伦(Heerlen)工厂开始工业化生产,商标为"迪尼玛"(Dyneema)。年产量约5000,是世界上产量最高\质量最佳的制造商。


目前超高分子量聚乙烯纤在世界范围内属于稀缺物资,全世界年需求量约5万吨,其中美国占70%。但具备生产能力的仅有荷兰帝斯曼公司(DSM)、美国霍尼韦尔公司(Honeywell)、日本东洋纺公司(Toyobo)、日本三井石化公司,和中国的数家公司。全世界产量总和仅有10000吨左右。

据专家预测,未来10年内超高分子量聚乙烯纤维每年的市场年需求量将在10万吨以上,市场潜力巨大。尽管荷兰帝斯曼公司、美国霍尼韦尔公司和日本三井公司近几年多次增建扩产,产量以每年8%以上的速度递增,但仍不能满足市场需求。


荷兰帝斯曼公司的黑尔伦(Heerlen)工厂


2001年美国发生911事件后,防弹衣用产品需求激增,荷兰帝斯曼公司迅速扩建,将生产能力增加10%以上。2006年荷兰帝斯曼公司在美国北卡罗来纳州Greenville工厂原有生产线的基础上,再新建1条生产线,使该公司纤维生产线总数达到10条,新装置于2008年早期投产。Greenville工厂的产品主要供应美国军队和执法机构。

2006年荷兰帝斯曼公司与美国霍尼韦尔公司,就有关超高分子量聚乙烯纤维的分歧达成谅解,霍尼韦尔公司默认帝斯曼公司在美国境内的扩产计划。霍尼韦尔公司生产工艺的主要辅料为氟氯化碳(俗称氟利昂) ,而氟利昂的使用给其扩产带来了巨大技术障碍。

目前欧美和日本的超高分子量聚乙烯纤维用途结构有一定差异。欧美主要用于防弹衣和武器装备,占总量60%-70%,其次为绳缆占20%,渔网等占5%、劳动防护占5%。日本主要用于绳缆、渔网、防护类,特别是防切割手套,在汽车生产涂漆工序的使用已达到超高分子量聚乙烯纤维总需求量的1/420034月日本三井公司开始建设新的超高分子量聚乙烯纤维生产线,加上原来的生产装置,使日本的年设计生产能力达到600吨。产品重点放在扩大作业手套、钓鱼线和绳缆市场上。


超高分子量聚乙烯纤维——防弹衣的主要材料解放军QGF-02型防弹头盔,于1997年装备驻港部队,逐步成为我军制式头盔,2005年底部队开始换装03式防弹头盔。该头盔重量1.25公斤,主要材料是尼龙增强树脂、玻璃纤维及芳纶(凯夫拉纤维)。在54式手枪5米射距垂直入射条件下,该头盔的抗弹率为100%。来源:中华论坛网



4.UHMWPE的应用领域

由于超高分子量聚乙烯纤维具有众多的优异特性,它在高性能纤维市场上,包括从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大的优势,在现代化战争和航空、航天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。


中国远赴亚丁湾执行反海盗任务的“蛟龙突击队”,身着全套防弹装。来源:中华论坛网

在国防军需装备方面,由于该纤维的耐冲击性能好,比能量吸收大,在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料,如直升飞机、坦克和舰船的装甲防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌、降落伞等,其中以防弹衣的应用最为引人注目。它具有轻柔的优点,防弹效果优于芳纶,现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。另外超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值U/p是钢的10倍,是玻璃纤维和芳纶的2倍多。国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。


在航天工程中,由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好,适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索,取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳索,其发展速度异常迅速。


在民用领域,用该纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具适用于海洋工程,在自重下的断裂长度是钢绳的8倍,是芳纶的2倍。该绳索用于超级油轮、海洋操作平台、灯塔等的固定锚绳,解决了以往使用钢缆遇到的锈蚀和尼龙、聚酯缆绳遇到的腐蚀、水解、紫外降解等引起缆绳强度降低和断裂,需经常进行更换的问题。


船舶缆绳事关船舶安全的命脉,其必须具备高强度、耐腐蚀、耐老化等特性,超高分子量聚乙烯纤维是制造船用缆绳的最佳材料,其强度要远远高于钢缆,而重量则大为减轻。图为海南文昌油田10万吨级FPSO海上浮式储油船——海洋石油116号"。


在工业应用中,该纤维及其复合材料可用作耐压容器、传送带、过滤材料、汽车缓冲板等;建筑方面可以用作墙体、隔板结构等,用它作增强水泥复合材料可以改善水泥的韧度,提高其抗冲击性能。由于UHMWPE具有优良的耐磨性、耐冲击性,它在机械制造行业中得到广泛应用,可制作各种齿轮、凸轮、叶轮、滚轮、滑轮、轴承、轴瓦、轴套、削轴、垫片、密封垫、弹性联轴节、螺钉等机械零部件。


在体育用品上已经制成安全帽、滑雪板、帆轮板、钓竿、球拍及自行车、滑翔板、超轻量飞机零部件等,其性能优于传统材料。日本三井石油化学公司制造的UHMWPE滑冰场,1975年在Kagoshima县对外开放,其造价为一般滑冰场的1/4


宁波大成新材料股份有限公司研制的防切割纺织面料 来源:中华论坛网


在医学方面,该纤维增强复合材料用于牙托材料、医用移植物和整形缝合等领域,它的生物相容性和耐久性都较好,并具有高的稳定性,不会引起过敏,已作临床应用。还用于医用手套和其他医疗措施等方面。


5.中国超高分子量聚乙烯纤维概况

我国是个化纤大国,2007年化纤产量占世界的54%,有着较为坚实的工业基础,但在高性能纤维发展方面较为滞后。自1985年我国开始超高分子量聚乙烯纤维的研究,东华大学(原中国纺织大学)、盐城超强高分子材料工程技术研究所先后加入研发行列,并取得了一系列重大理论突破,1999年突破关键性生产技术。成为继荷兰、日本、美国之后,第四个掌握这种纤维生产及应用技术的国家。


国产防弹陶瓷插板安装在防弹背心内,可以抵御20米距离内,国产95式自动步枪5.8mm钢芯弹,和7.62mm狙击步枪弹的侵彻。以超高分子量聚乙烯纤维做内衬,可进一步提高防弹性能。


目前国内有北京同益中特种纤维技术开发有限公司、湖南中泰特种装备有限公司、宁波大成新材料股份有限公司、山东爱地高分子材料有限公司等多家生产超高分子量聚乙烯纤维的企业。他们的生产设备制造、安装、调试主要由盐城市神泰纺织器材有限公司提供支持。


图为宁波大成新材料股份有限公司用超高分子量聚乙烯纤维研制的防切割手套



其中北京同益中特种纤维技术开发有限公司,经过近十年的技术发展,已建成年产600吨超高分子量聚乙烯纤维的生产基地。宁波慈溪大成新材料股份有限公司从1996年开始联合东华大学进行研发,历时4年发明了混合溶剂,并申请了9项专利,于2000年实现了产业化。山东爱地高分子材料有限公司从20058月开始该纤维的产业化研发,经过两年半技术攻关,该公司采用自主技术陆续建成了7UHMWPE生产线,总产能达到2000/年。预计2010年该公司所有生产线投产后,总产能将达到5000/年,成为亚洲第一、世界第二的超高分子量聚乙烯纤维生产企业。

安徽皖维集团有限责任公司是中国最大的聚乙烯醇(PVA)生产企业、世界第二的高强高模聚乙烯醇出口基地,制成的基布,以及氧类热固性树脂复合固化后产生的纤维增强复合材料,具有轻巧耐高温的优异性能,广泛应用于航天航空、装甲材料等高技术领域。公司与解放军总后勤部军需研究所合作,成功开发出超高强度PVA长丝,使我国成为全球第二个拥有该技术的国家,其超薄、柔韧的特性成为新一代的防弹纤维,可以用来批量制造防弹头盔、防弹服和防爆服。且每件防弹衣仅需1-1.5公斤,而性能远胜于国外同类产品。

目前我国国产超高分子量聚乙烯纤维的强度已经达到荷兰最高等级产品的水平,而成本要远低于荷、美、日的同类产品。宁波大成新材料公司研制的防弹衣技术指标在同类产品中达到了国际先进水平,其中最高规格的防弹衣可以挡住机枪子弹在7米距离射击,而这个距离的机枪杀伤力可以击穿20mm厚的钢板。2004年宁波大成出口4万多件防弹衣,2005年增长到15万件,仅英国政府就购买了2万多件,销售额2亿多元。其相关产品已陆续在装甲防护、航天航空、航艇绳缆、深海抗风浪网箱、体育器材等领域获得应用。大成公司已形成年产2000吨高强聚乙烯纤维及制作25万套防弹衣、防弹头盔、300吨防弹板材、300吨高强绳索、600万双防切割手套的生产能力。


2009年7月26日,中国第三批远赴亚丁湾执行反海盗任务的“舟山”舰海军特战队员在左舷甲板操练,身着全套防弹装具。来源:中华网论坛


国家在“十一五”《纺织工业科技进步发展纲要》中重点将超高分子量聚乙烯纤维产业化研发列为纺织行业重点突破的28项关键技术之首。东华大学和盐城超强高分子材料工程技术研究所正联合研究开发新一代产量高、质量好的生产工艺和装备技术。

随着超高分子量聚乙烯纤维在我国实现规模化工业生产,以及生产成本和产品价格的下降,必将迅速带动中国在其国防和民用应用领域的研究和发展,尤其是在民用领域(绳缆、远洋渔网、海上养殖、劳动防护类),应用范围将不断扩展,社会惠及面越来越广,市场需求保持旺盛增长。中国超高分子量聚乙烯纤维的发展对国防建设和军事装备也将有着不同寻常的战略意义。


200711月,德国总理默克尔穿着防弹衣与驻阿富汗德军执勤士兵合影




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