當代三大高性能纖維之：承重驚人的超高分子量聚乙烯纖維

2018年，由中央電視臺和中國電影股份有限公司聯合出品的大型紀錄電影《厲害了，我的國》在全國上映，影片中在港珠澳大橋收官之戰接頭安裝中發揮作用的纜繩，是由14萬根超高分子量聚乙烯纖維組成的。這樣一根直徑0.5毫米的細絲線，承重力能達到35千克。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，又叫高強高模聚乙烯纖維、高性能聚乙烯纖維等。它是將分子量在100萬以上的聚乙烯進行紡絲和高倍牽伸而制成的纖維，一般強度高于20厘牛/分特、模量高于800厘牛/分特，與碳纖維、芳綸并稱為當代三大高性能纖維。

早在20世紀30年代，就有人提出了超高分子量聚乙烯纖維的基礎理論，后來逐漸形成了兩條不同的生產技術路線：一條是溶液干法凍膠紡絲技術路線，簡稱干法紡絲技術；另一條是溶液濕法凍膠紡絲技術路線，簡稱濕法紡絲技術。我國自20世紀80年代開展凍膠紡絲生產超高分子量聚乙烯纖維的研究工作，其后被國家發改委、科技部列為國家科技成果重點發展計劃。

盡管生產技術路線不盡相同，但目的都是增大超高分子量聚乙烯大分子鏈取向，提高結晶度，改善纖維的聚焦態結構，使纖維在物理力學性能和化學性能方面極具優勢，因此其在很多領域得到廣泛使用，如軍事、航空航天、航海、醫療、工業、漁業養殖、體育用品等。

超高分子量聚乙烯纖維具有優良的耐沖擊性能，它在變形和塑形過程中吸收能量的能力和抵抗沖擊的能力比E-玻璃纖維、碳纖維、芳綸都高。

即使在零下70攝氏度的條件下，仍然保持相當高的沖擊強度。這個性能使得其在防護防彈方面有很大的用武之地。在軍事上可以制成防護衣料、頭盔、防彈材料，如直升飛機、坦克和艦船的裝甲防護板以及雷達的防護外殼罩、導彈罩、防彈衣、防刺衣（手套、護頸等）、盾牌等。其中，以軟質防彈衣的應用最為引人注目，它具有輕柔的優點，防彈效果優于芳綸，現已成為防彈背心的重要材料。此外，超高分子量聚乙烯纖維復合材料的比彈擊載荷值是鋼的10倍，是玻璃纖維和芳綸的2倍多。用該纖維增強的樹脂復合材料制成的防彈、防暴頭盔已成為鋼盔和芳綸增強復合材料頭盔的替代品。

在航天工程中，由于該纖維復合材料輕質高強和抗沖擊性能好，適用于各種飛機的翼尖結構、飛船結構和浮標飛機等。該纖維也可以用作航天飛機著陸的減速降落傘和飛機上懸吊重物的繩索，取代了傳統的鋼纜繩和合成纖維繩索，其發展速度異常迅速。

超高分子量聚乙烯纖維的比強度和比模量是目前已知纖維中最高的，其比強度分別為高強度碳纖維的2倍、鋼材的14倍，具有其他纖維不可比擬的優勢。此外，它的耐疲勞、耐彎曲性、耐磨性好，所制成的纜繩反復加載7000次，強力不衰減。因此，其制成吊起6000噸港珠澳大橋接頭的纜繩，是物盡其用。

超高分子量聚乙烯纖維化學結構比較單一，化學性質比較穩定，而且具有高度結晶的結構取向，使得其在強酸和強堿中不易受到活性基因的攻擊，能夠保持它原有的化學性質和結構，所以大部分的化學物質都不容易腐蝕它。它還具有抗紫外線性佳、電絕緣性好等特點，密度約0.97克/立方厘米，比水要小，因此被廣泛應用于艦船系泊與拖纜、艦載機阻攔索與阻攔網、海洋平臺拖纜、深海能源與礦產探測開發、移動式系泊纜繩、海洋打撈與救生等領域，解決了以往使用鋼纜遇到的銹蝕和錦綸、滌綸纜繩遇到的腐蝕、水解、紫外降解等引起纜繩強度降低和斷裂，需經常進行更換的問題。此外，超高分子量聚乙烯纖維纜繩具有高強輕質、安全性高、攜帶使用方便等特點，在樹木養護、園林設計修剪、直升機快速投放物資等方面廣泛使用；具有絕緣耐高壓等特點，使其被廣泛用于電力牽引線、搭橋、絕緣吊裝、平衡掛線、江河跨線等領域；由于高強輕質的特點，超高分子量聚乙烯纖維纜繩在舞臺特技、保護攝影機控制等方面也逐漸被使用。
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值得一提的是，由于它具有優良的耐腐蝕性和高強度，在海島建設方面，成為傳統鋼筋骨架絕佳的替代建材材料。
超高分子量聚乙烯纖維結晶度在98%以上，具有高純度、高強度、耐磨性、耐疲勞、生物相容性好、輻照后不降解等特點，因此在醫療生物材料方面廣泛應用。該纖維增強復合材料用于牙托材料、醫用移植物和手術縫合線等方面，生物相容性和耐久性都較好，并具有高穩定性，不會引起過敏，已作臨床應用。此外，它還被用于醫用手套和其他醫療措施等方面。
在工業上，超高分子量聚乙烯纖維及其復合材料可用作耐壓容器、傳送帶、過濾材料、汽車緩沖板等；建筑方面可以用作墻體、隔板結構等，用其制作增強水泥復合材料可以改善水泥的韌度，提高抗沖擊性能。
由于超高分子量聚乙烯纖維具有優良的物理化學性能，其在遠洋深海生物捕撈、固定式海洋養殖網箱與海灣養殖、可移動式養殖網箱等方面得到很好的應用，這讓上述捕撈和“草原游牧式”養殖得以實現。
目前，在體育用品上，超高分子量聚乙烯纖維已用于制作安全帽、滑雪板、帆輪板、釣竿、球拍及自行車、滑翔板、超輕量飛機零部件等，其性能較傳統材料要好。隨著體育事業的發展和全民健身活動的開展，其在此領域內將得到越來越多的應用。
未來，超高分子量聚乙烯纖維在生產工藝、產品質量和品種等方面仍然需要科技人員不斷攻關，不斷提高產品性能和降低成本，推動我國高性能纖維材料的創新發展、普及和應用。