由一则快报引起的注意,超高分子量聚乙烯纤维进入大众视野:
超高分子量聚乙烯纤维(简称UHMWPE),又称高强高模聚乙烯纤维,是将分子量在100万以上的聚乙烯进行纺丝和高倍牵伸而制成的纤维,具有的高断裂强度、高初始模量、低断裂伸长率,与碳纤维、芳纶合称为“世界三大高科技纤维”。
超高分子量聚乙烯纤维是世界上最坚强有韧性的纤维。用俗话说就是:“轻薄如纸,坚硬如钢”,强度是钢铁的15倍,是目前制造防弹衣的主要材料。
力学性能:在线性密度相同的情况下,超高分子量聚乙烯纤维抵抗拉伸的强度是钢丝绳的15倍。比同为“世界三大高科技纤维”之一的芳纶高百分之四十,比优质钢纤维和普通的化学纤维高10倍。与钢、E玻璃、尼龙、聚烯胺、碳纤维和硼纤维相比,其强度和模量比这些纤维都高,在相同质量的材料中强度最高。
耐冲击性:超高分子量聚乙烯纤维具有优良的耐冲击性能,它在变形和塑形过程中的吸收能量的能力和抵抗冲击的能力比同为“世界三大高科技纤维”的芳纶纤维、碳纤维都高。与聚酰胺、芳族聚酰胺、E玻璃纤维、碳纤维、芳纶相比,超高分子量聚乙烯纤维比冲击总吸收能量还要高。
耐磨性:将超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维、芳纶纤维的增强塑料摩擦系数比较,超高分子量聚乙烯纤维的耐磨性和弯曲疲劳度远远高于碳纤维和芳纶纤维。所以它的耐磨性能比其他高性能纤维更加优良。还由于它的耐磨,耐弯曲性能优越,所以它的加工性能也比较优越,容易制作成为其他复合材料和织物
耐化学腐蚀性:超高分子量聚乙烯纤维化学结构比较单一,化学性质比较稳定,大部分的化学物质都不容易腐蚀它,只有极少数的有机溶液可以将它轻度溶胀,而且它的力学性能损失小于百分之十。将超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维进行在不同化学品介质中的强度保留率进行比较。超高分子量聚乙烯纤维的耐腐蚀性能明显高于芳纶纤维,它在酸、碱、盐中的性质结构特别稳定,只有在次氯酸钠溶液中强度有所损失。
耐光性:因为超高分子量聚乙烯纤维的化学结构稳定,所以它的耐光性也是高科技纤维中最优越的。芳纶纤维不耐紫外线,只有在避免阳光直接照射的情况下使用。将超高分子量聚乙烯纤维与尼龙、高模量和低模量的芳酰胺进行对比,超高分子量聚乙烯纤维的强度保留率明显高于其他纤维。
其他性能:,UHMWPE纤维还具有优秀的疏水性和耐水耐湿性,以及出色的电绝缘性和较长的使用寿命。其使用温度可低至-150℃,比重小,是所有高强高模纤维中密度最小(0.98g/cm3)的纤维,也是唯一能漂浮在水上的高科技纤维。
UHMWPE纤维的比强度总结(比强度是指材料的强度与密度的比值,通常用来衡量材料的轻质高强度特性):
UHMWPE的比强度是优质钢材的15倍,是玻璃和尼龙66的4倍,是碳纤维的2.6倍,是芳纶纤维的1.7倍;在抗冲击性能方面,超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比冲击总吸收能量是碳纤维的1.8倍、芳纶的2.6倍,防弹能力是芳纶装甲结构的3.6倍。
超高分子量聚乙烯制备工艺可分为干法工艺与湿法工艺。一类是干法工艺路线,即高挥发性溶剂干法凝胶纺丝工艺路线;另一类是湿法工艺路线,即低挥发性溶剂湿法凝胶纺丝工艺路线。采用的溶剂和后续工艺是这两种工艺路线最大的区别,由于两类溶剂特性区别大,从而后续溶剂脱除工艺也完全不同,各有优势。
干法工艺路线纺丝:干法主要以十氢化萘为纺丝溶剂,与UHMWPE树脂混合后,经过双螺杆挤出机高温混炼、喷丝板挤出成熔体细流,通过惰性气体等方式吹扫使溶剂脱去,同时熔体固化成原纤可收卷成型。原纤再经过多级多次的超倍热拉伸可得到强度较高的UHMWPE纤维。相较于湿法路线纺丝,干法路线工艺流程短、经济环保,其制备的纤维表面平整、缺陷少、柔软、结晶度高、纤维密度大、熔点高、熔程短、溶剂残留低。荷兰DSM公司、东洋纺公司、仪征化纤、上海化工研究院有限公司均采用干法工艺路线生产UHMWPE纤维。
干法路线关键工艺技术:树脂在十氢萘溶剂中溶胀过程对于纺丝溶液均匀溶解至关重要;纺丝溶液均匀下料是影响纤维纤度的关键;初生纤维中溶剂的充分挥发是影响溶剂回收和纤维力学性能的关键;超倍拉伸温度、拉伸比和拉伸速度是影响纤维结晶和力学性能的关键因素。
湿法工艺路线纺丝:湿法路线采用的纺丝溶剂为高沸点不易挥发溶剂,如白油、矿物油、煤油等,纺丝加工温度可调节范围大。纺丝溶剂需要在纺丝后期进行萃取和干燥,常用萃取剂主要有碳氢清洗剂、二氯甲烷、二甲苯等,纺丝溶剂回收工艺经十余年的产业化发展,相对简单成熟,但环保、安全的压力较大。
湿法路线发展方向:传统的湿法路线由于工艺的先天性缺陷,导致产品质量的稳定性受到影响,特别是纤维旦数的偏差率普遍较高,优化现有的工艺路线,进一步提高纤维的力学性能、稳定性、功能性是目前湿法路线研究的重点。
防护材料:
UHMWPE纤维在防护材料领域的主要应用产品为防弹衣、防弹装甲、防刺服装、防切割服装、防切割手套、头盔、货箱防护等。UHMWPE在欧美防弹衣渗透率已接近70%,中国仅32%,部队换装对需求具备强驱动,根据GVR的统计,欧洲北美市场预期稳健增长,亚洲将高速增长。
海洋产业
超高分子量聚乙烯纤维以其优良的性能,迅速成为海上用绳缆、船舶系泊绳、远洋渔网和海上养殖网箱等的主要材料。其市场需求保持旺盛的增长,特别是绳索、缆绳等绳网制造业。比如,超高分子量聚乙烯纤维加工成的渔网比普通聚乙烯纤维渔网质量轻一半以上,同等质量的渔网可制造成更大尺寸的网具,捕捞作业时既可增加捕捞量又能减少渔网的水阻,从而降低渔船能耗,适合远洋捕捞。超高分子量聚乙烯纤维加工成的高强度绳索,与同等直径的钢丝缆绳相比,重量轻88%、强度高50%,且比水轻、能浮于水面之上,同时又耐海水腐蚀和紫外线的照射,可保证更长的使用寿命,尤其适于制作船用泊绳、拖绳、灯塔固定锚绳等海洋工程用缆绳。
纺织
超高分子量聚乙烯纤维经机织而成的面料具有明显的冰凉感,且具有良好的自润滑性、低吸水性、不粘性,以及优异的耐磨性、拉伸性能、耐冲击性能、耐化学药品性等,因此在床上用品、窗帘、座套、床垫、凉席、被罩、牛仔面料上得到了广泛的应用。
航空航天
UHMWPE纤维因其高强度、低密度和耐磨损等特点,被广泛应用于飞机、火箭等航空器的制造中。不仅可以提高航空器的结构强度,还可以降低航空器的整体质量,提高飞行性能。
叠加航天,降落伞绳+着陆减速:
全球层面,超高分子聚乙烯纤维的理论需求量由2015年的5.70万吨增长至2022年的12.68万吨,年均复合增速为12.1%,预计2025年理论需求量将达到16.5万吨,2022-2025年年均复合增速为9.2%。而2022年,全球产能仅为7.5万吨,存在5.2万吨供需缺口。
我国层面,超高分子聚乙烯纤维的理论需求量由2018年的3.48万吨增长至2022年的6.76万吨,年均复合增速为18.1%,预计我国2025年超高分子聚乙烯纤维的理论需求量超过10万吨。目前,我国同样存在供需缺口,2022年为1.98万吨。
公司3600吨超高分子量聚乙烯项目,已于2023年8月份全线投入运行,24Q1超高分子量聚乙烯业务营业收入约3406万元,同增194%。目前项目处于爬坡期,主要产品为:特种防护系列纤维、海洋绳网系列纤维、防切割手套系列纤维、家用纺织品系列纤维及复合产品。公司持续推进二期项目一等品率向优等品率的提档升级,下步仍有新产品规划。
公司业绩同比增长,在原本主业优秀的情况下,扩展第二增长极,而且是国家重点发力方向,相当值得多看一眼