超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種分子量在100萬以上的高性能聚合物，因其獨(dú)特的性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。這些性能包括高強(qiáng)度、高耐沖擊性、高耐磨損性、自潤滑性、耐化學(xué)腐蝕性以...

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種分子量在100萬以上的高性能聚合物，因其獨(dú)特的性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。這些性能包括高強(qiáng)度、高耐沖擊性、高耐磨損性、自潤滑性、耐化學(xué)腐蝕性以及耐低溫性。UHMWPE的應(yīng)用范圍廣泛，從航空航天、國防軍工到市政建設(shè)、石油化工，乃至新能源材料等領(lǐng)域，它的使用正不斷擴(kuò)展。近年來，隨著UHMWPE催化和聚合工藝技術(shù)的進(jìn)步，這種材料的生產(chǎn)過程變得更加可控，產(chǎn)品質(zhì)量得到了顯著提升。這一進(jìn)步不僅使得UHMWPE的加工能力得到改進(jìn)和創(chuàng)新，還促使其在下游應(yīng)用領(lǐng)域和數(shù)量上持續(xù)增長。UHMWPE可以被加工成各種制品，如纖維、薄膜、管材、板材、棒材、多孔材料和異型材料等，滿足不同領(lǐng)域的需求。此外，UHMWPE材料不限于分子量在100萬以上的范圍。分子量低于100萬的UHMWPE樹脂和制品，雖然在分子量上有所不同，但在性能和加工方法上與高分子量的UHMWPE相似，同樣包含在討論范圍內(nèi)。此外，對UHMWPE進(jìn)行物理或化學(xué)改性的樹脂和下游制品，也是該領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重要部分。

綜上所述，UHMWPE作為一種高性能材料，其獨(dú)特的性質(zhì)和不斷進(jìn)步的加工技術(shù)使其成為多個行業(yè)的首選材料。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，UHMWPE的應(yīng)用領(lǐng)域和數(shù)量預(yù)計將持續(xù)增長，進(jìn)一步擴(kuò)大其在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究中的影響力。

1.超高分子量聚乙烯 （UHMWPE）催化聚合

1.1催化技術(shù)

用于UHMWPE聚合的催化劑按照不同的發(fā)展 階段分為三類：Ziegler-Natta （Z-N） 催化劑、茂 金屬催化劑和非茂過渡金屬催化劑。

表 催化劑性能優(yōu)缺點(diǎn)對比

1.2聚合技術(shù)

乙烯聚合主要有高壓聚合、氣相聚合、淤漿聚合與溶液聚合等工藝，目前生產(chǎn)UHMWPE樹脂的工業(yè)裝置大多采用淤漿聚合，淤漿工藝主要包括攪拌釜工藝與環(huán)管工藝。

表 主流聚合工藝比較

2. UHMWPE纖維生產(chǎn)工藝

UHMWPE 纖維是目前已工業(yè)化纖維材料中比強(qiáng)度和防彈性能最高的纖維。其紡絲工藝根據(jù)使用溶劑及脫除方式不同，可分為干法路線和濕法路線，目前國內(nèi)外可生產(chǎn)不同旦數(shù)、纖維強(qiáng)度 17~43cN/dtex 的高、中、低端纖維產(chǎn)品。而隨著樹脂聚合技術(shù)及螺桿擠出技術(shù)的提升，科技人員對 UHMWPE 樹脂的大分子鏈解纏能力獲得提高，熔融紡絲技術(shù)用于制備中等以上強(qiáng)度（強(qiáng)度≥10cN/dtex） 的UHMWPE纖維受到越來越多的關(guān)注。

2.1干法工藝

干法路線以荷蘭 DSM 公司為代表，生產(chǎn)的 Dyneema系列纖維針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，力學(xué)性能 優(yōu)良，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。據(jù)報道，Dyneema?SK99 纖維斷裂強(qiáng)度可達(dá)到 43cN/dtex，比 SK78 高 15%~20%。

2.2濕法工藝

濕法路線是目前國內(nèi)外纖維企業(yè)用得更多的一種工藝技術(shù)路線，最早是1985年由美國Honeywell公司購買 DSM 專利后進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，推出的纖維牌號有 Spectra-HT、Spectra900、Spectra1000 等系列產(chǎn)品，其中 Spectra-HT 牌號斷裂強(qiáng)度可達(dá)40cN/dtex。另外日本三井公司于 1988 年正式商業(yè)化生產(chǎn) UHMWPE 纖維，牌號為 Tekmilon，產(chǎn)品重點(diǎn)放在作業(yè)手套、釣魚線和纜繩市場。我國于 20世紀(jì)80年代開始相關(guān)研究，并于2000年左右實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，目前國內(nèi)濕法生產(chǎn)企業(yè)有同益中、愛地、九九久、中泰等十余家公司，可生產(chǎn)不同旦數(shù)、強(qiáng)度的軍民用纖維產(chǎn)品，占全球產(chǎn)銷量的60%以上，但以中低端產(chǎn)品為主，產(chǎn)品價格競爭激烈。

2.3熔融路線

熔融路線具有工藝簡單、不需要大量溶劑、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，備受國內(nèi)外研究者及企業(yè)關(guān)注。據(jù)報道，日本東洋紡公司已于2008年成功研發(fā)高強(qiáng)防切割熔融紡聚乙烯纖維TsunoogaTM并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，目前東洋紡公司具有3條TsunoogaTM纖維生產(chǎn)線，總產(chǎn)能約 1500t/a。

圖 熔融工藝路線

針對熔紡的研究主要集中在紡絲原料改性、紡絲工藝技術(shù)等方面。美國 Honeywell、北京化工大學(xué)、中國石化集團(tuán)公司等機(jī)構(gòu)先后公開了UHMWPE 與 HDPE 共混進(jìn)行熔紡的研究報道，上?；ぱ芯吭河邢薰具\(yùn)用新型的改性樹脂，優(yōu)化紡絲取向及拉伸工藝，實(shí)驗(yàn)室制備了熔紡纖維。

3.最新前沿應(yīng)用

3.1Aluula Composites 開發(fā)循環(huán)利用的戶外裝備

輕質(zhì)、強(qiáng)韌、耐用且可回收的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)織物使得 Arc’teryx 和 Durston 運(yùn)動品牌的裝備性能更高。

圖片來源| Aluula Composites

戶外品牌 Arc’teryx（加拿大北溫哥華，BC）和 Durston（加拿大 Kimberley，BC），已與 Aluula Composites（維多利亞）聯(lián)手，推出了針對極端山地環(huán)境的新型性能驅(qū)動、輕質(zhì)且可回收的戶外裝備。

Aluula 與 Durston Gear 合作，開發(fā)了一款使用 Aluula 的 Graflyte V-98 聚合物材料制成的超輕型 Wapta 30 背包。該織物使用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）編織而成，雖然 UHMWPE 本身不是新材料，但 Aluula 表示，他們已創(chuàng)建了一種新的專利工藝，不需要像當(dāng)前市場領(lǐng)先材料“Ultra”那樣，向 UHMWPE 中添加聚酯薄膜。結(jié)果是一種輕質(zhì)材料，具有高強(qiáng)度與重量比，Aluula 聲稱其強(qiáng)度是鋼鐵的八倍。

2023年，戶外裝備行業(yè)需求激增，銷售額達(dá)到250億美元。根據(jù) Statista 最新數(shù)據(jù)，該行業(yè)預(yù)計將在2028年之前每年增長超過6%。

Aluula Composites 的材料已在惡劣的海洋條件下進(jìn)行了實(shí)地測試，也已用于風(fēng)箏沖浪和其他風(fēng)力運(yùn)動，如飛翼沖浪。公司指出，特別是 Graflyte，不需要縫合。它也可以熱合到自身，這可以用于用單片織物創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)。此外，該材料能夠被回收，并且理論上可用于背包懸掛系統(tǒng)或其他行業(yè)的應(yīng)用。

3.2食品包裝袋升級

三明治袋、牛奶壺和其他由聚乙烯制成的塑料物品可能會以升級材料的形式獲得新生。一種將這種流行聚合物的C-H鍵轉(zhuǎn)化為C-N鍵的反應(yīng)，現(xiàn)在能夠作用于消費(fèi)后材料，為新聚合物性質(zhì)開辟了一條途徑?！巴ㄟ^這種反應(yīng)，你現(xiàn)在可以將所有不同類型的聚乙烯——低密度、高密度、高分子量、低分子量——進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并通過形成C-N鍵在聚合物上放置各種基團(tuán)，”加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的化學(xué)教授John F. Hartwig表示，他領(lǐng)導(dǎo)了這個項(xiàng)目。通過改變添加到聚合物上的氮上的取代基，可以調(diào)整聚合物的屬性，Hartwig實(shí)驗(yàn)室的研究生及論文第一作者Nicodemo Ciccia表示?！澳繕?biāo)是開發(fā)一種單一方法，允許你獲得一整套材料庫，”他說。

這一反應(yīng)是Hartwig實(shí)驗(yàn)室在2014年報告的工作的一個變體，在那項(xiàng)研究中，化學(xué)家們使用一種銅催化反應(yīng)將小烷烴中的C-H鍵轉(zhuǎn)化為C-N鍵。但將這種化學(xué)應(yīng)用于聚乙烯并非易事?？茖W(xué)家們不得不重新考慮他們使用的配體。他們發(fā)現(xiàn)一個帶有長的烷基側(cè)鏈的配體效果最好（《科學(xué)》2023, DOI: 10.1126/science.adg6093）。

圖 分子結(jié)構(gòu)

雖然研究人員通過在溶劑中溶解聚乙烯來解決了大部分化學(xué)問題，但他們也在沒有任何溶劑的情況下對融化的低密度聚乙烯進(jìn)行了反應(yīng)（展示）?！捌渲幸粋€動機(jī)是將廢棄塑料轉(zhuǎn)化為更高價值的東西，”Hartwig說。但是化學(xué)家們不知道他們的反應(yīng)是否能夠容忍廢棄塑料中的雜質(zhì)、顏色、穩(wěn)定劑和增塑劑。他們的實(shí)驗(yàn)表明，它可以。未參與此項(xiàng)工作的北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的聚合物化學(xué)專家Frank Leibfarth表示，這種反應(yīng)是將酰胺附著到聚乙烯上的一種創(chuàng)造性方式。“這種方法將為聚合物科學(xué)家提供一個新工具，利用最豐富的塑料廢料原料進(jìn)行新材料的發(fā)現(xiàn)努力，這可能為實(shí)現(xiàn)更循環(huán)的塑料經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)一個重要部分，”

3.3長鏈聚乙烯（PE）聚合物的回收利用

由聚乙烯（白色纖維）制成的塑料，如圖中展示的牛奶瓶，現(xiàn)在可以被分解成較小的分子——丙烯——這種分子對制造另一種塑料，即聚丙烯，具有重要價值。

（圖形版權(quán)：布蘭登·布魯默，加州大學(xué)伯克利分校）

聚乙烯塑料——特別是破壞景觀的無處不在的塑料袋——以難以回收著稱。它們堅固且難以分解，如果它們被回收，通常會被熔化成一種主要用于甲板和其他低價值產(chǎn)品的聚合物混合物。

但加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）開發(fā)的一種新過程可能改變這一切。該過程使用催化劑將長的聚乙烯（PE）聚合物分解成均勻的塊狀——三碳分子丙烯——這些是制造其他類型高價值塑料，如聚丙烯的原料。

這個過程，雖然處于開發(fā)的早期階段，將把一種廢棄產(chǎn)品——不僅是塑料袋和包裝，而且包括所有類型的PE塑料瓶——轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝枨蟮闹饕a(chǎn)品。之前分解聚乙烯鏈的方法需要高溫，并產(chǎn)生需求量較低的混合組分。新過程不僅可以減少化石燃料生產(chǎn)丙烯（常稱為丙烷）的需求，而且還可以幫助填補(bǔ)塑料行業(yè)目前未滿足的丙烯需求。

圖 分子微觀結(jié)構(gòu)

“在它們被回收的程度上，許多聚乙烯塑料被轉(zhuǎn)化為低等級材料。你不能拿一個塑料袋然后用相同的性質(zhì)制造另一個塑料袋，”加州大學(xué)伯克利分校有機(jī)化學(xué)亨利·拉波波特講座教授約翰·哈特維格說。“但如果你能將那個聚合物袋還原為其單體，將其分解成小塊并重新聚合，那么你就不必從地下提取更多的碳，而是使用它作為你的碳源來制造其他東西——例如，聚丙烯。我們將用更少的頁巖氣來達(dá)到這個目的，或用于丙烯的其他用途，以填補(bǔ)所謂的丙烯缺口?！?/p>

聚乙烯塑料約占全球塑料市場的三分之一，每年從化石燃料（包括通過水力壓裂獲得的天然氣，常稱為頁巖氣）生產(chǎn)超過1億噸。

盡管有回收計劃——可回收的PE產(chǎn)品標(biāo)有塑料編號2和4——但所有聚乙烯塑料產(chǎn)品中只有大約14%被回收。由于它們的穩(wěn)定性，聚乙烯聚合物難以分解成它們的組成部分或解聚，所以大部分回收涉及將其熔化并塑造成其他產(chǎn)品，如庭院家具，或作為燃料燃燒。

4.展望

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）憑借其卓越的物理和化學(xué)性能，已成為航空航天、國防、新能源等行業(yè)的重要材料。近年來，催化聚合技術(shù)的進(jìn)步顯著提高了UHMWPE的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，拓寬了其應(yīng)用范圍。特別是在戶外裝備、食品包裝，以及塑料回收利用方面，UHMWPE顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢。例如，通過改性UHMWPE，可以實(shí)現(xiàn)戶外裝備的輕質(zhì)化和可回收性，同時，新型化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)讓UHMWPE在食品包裝升級和長鏈聚乙烯的回收利用方面具有潛在應(yīng)用。展望未來，隨著科技的持續(xù)創(chuàng)新和環(huán)保要求的提升，UHMWPE的改性與應(yīng)用技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展，使其在高性能材料領(lǐng)域占據(jù)更為重要的地位。