Research status and analysis of ultra-high molecular weight polyethylene fiber and its composites
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摘要: 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与碳纤维和芳纶纤维并称当今三大高性能纤维，具备低密度、高抗冲击性能、高断裂强度和模量的特性，同时拥有优异化学稳定性。本文综述了UHMWPE纤维及其复合材料的研究现状和最新进展，包括UHMWPE纤维和其他几种高性能纤维的性能对比，UHMWPE纤维的典型生产工艺及其对纤维性能的影响，与UHMWPE纤维匹配的树脂基体种类，提高纤维表面粘结性能、耐热性能和抗蠕变性能的改性方法，纤维织造与复合工艺及UHMWPE纤维及其复合材料的应用；最后分析了UHMWPE纤维及其复合材料当前存在的主要问题，探讨了未来可能的发展方向。
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关键词:
- 超高分子量聚乙烯纤维 /
- 复合材料 /
- 力学性能 /
- 改性 /
- 应用
Abstract: Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber, together with carbon fiber and aramid fiber, is one of the three high-performance fibers. It has the characteristics of low density, high impact resistance, high breaking strength and modulus, and excellent chemical stability. This paper reviews the current research status and recent progress of UHMWPE fiber and its composites, including the performance comparison between UHMWPE fiber and other high-performance fibers, the typical production process of UHMWPE fiber and its influence on fiber performance, the types of resin matrix matched with UHMWPE fiber, the modification methods to improve fiber surface adhesion, thermal stability and creep resistance, weaving and composite processes, and the application of UHMWPE fibers and their composite applications. Finally, the main problems existing in UHMWPE fiber and its composite materials are analyzed, and the possible development direction in the future is discussed. -
高性能纤维指具有特殊结构、性能或用途的纤维，一般定义的“高性能”为力学指标，要求断裂强度大于17.6 cN/dtex；广义上，具有耐高温、耐辐照、耐腐蚀等特性的纤维也可以称作高性能纤维[1]。近年来，高性能纤维在军事防护[2-4]、航空航天[5-6]、建筑[7]等领域的应用需求越来越大，下游市场发展潜力十足，吸引了众多研究和投入[8-10]，受到世界各国的高度重视。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和碳纤维、芳纶纤维三者并称世界三大高性能纤维材料，也是我国“十一五”规划开始重点发展的高科技项目和国家鼓励发展的特种纤维。碳纤维和芳纶纤维发展较早，国外(主要是日本和美国)的技术水平和产能均领先于我国，UHMWPE纤维是我国唯一具有国际竞争力的高性能纤维，2019年，国内UHMWPE纤维行业总产能4.10万吨，占全球总产能的60%以上[11]。UHMWPE纤维的分子量通常在150万以上，分子主链为亚甲基相连的“C—C”结构，不含侧基，支链较少，对称性和规整性好。经过超倍拉伸之后，纤维内部的大分子链充分伸展排列，形成高度结晶和高度取向的超分子结构，这种特殊的结构赋予了UHMWPE纤维众多特殊性能，如超高的强度和模量和优异的化学稳定性等。
本文将UHMWPE纤维与对位芳纶纤维(PPTA)、碳纤维和玻璃纤维进行对比，总结了UHMWPE纤维性能的优劣。对比了常见UHMWPE纤维生产工艺、国内外生产现状及不同工艺选择对纤维性能的影响。对于UHMWPE纤维增强的复合材料，总结了常见的与UHMWPE纤维复合的热塑和热固性树脂，针对UHMWPE纤维与树脂基体界面结合力较低、耐热性能和抗蠕变性能较差的不足，总结并对比了常见的几种改性方法，并阐述了纤维织造及与树脂复合的工艺。最后，对UHMWPE纤维在民用和军事防护领域的应用做出了总结，并对后续研究方向进行了分析和展望。
1. UHMWPE纤维的性能
UHMWPE纤维与对位芳纶纤维、碳纤维和玻璃纤维的单丝性能对比如表1所示[12-13]。UHMWPE纤维是密度最小的高性能纤维，也是除聚丙烯纤维之外密度最小的常见纤维，其密度在0.97~0.98 g/cm3之间，仅为芳纶纤维的2/3，碳纤维的1/2，玻璃纤维的2/5，钢丝的1/8，可以漂浮在水上。极高的分子量(常见使用分子量500万左右的UHMWPE原料)、高取向和高结晶度的分子链结构赐予了UHMWPE纤维众多优异的性能，其单丝强度和比强度是当今所有纤维之最，相当于优质钢丝的15倍、芳纶纤维的1.7倍、碳纤维的2.6倍，比模量也远远高于碳纤维外的其他几种高性能纤维。UHMWPE纤维柔性的分子链使其具备良好的弯曲性能，结节、环结强度是芳纶纤维的1.5~2倍，碳纤维的20倍以上[14]，加工性能优异，易于在各种条件下编织成复杂结构的织物。UHMWPE纤维的动静摩擦系数均低于其他几种高性能纤维，抗冲击能力强，且在低温下仍能保持良好的力学性能。
表 1 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与对位芳纶纤维(PPTA)、碳纤维和玻璃纤维的单丝性能对比Table 1. Comparison of monofilament performance between ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber with para aramid fiber (PPTA), carbon fiber and glass fiberUHMWPE fiber PPTA Carbon fiber Glass fiber Density/(g·cm−3) 0.97 1.44 1.80 2.55 Tensile strength/GPa 3.1 2.7 3.5 2.0 Tensile modulus/GPa 100 58 230 73 Elongation/% 3.5 3.7 1.5 2.0 Specific tensile strength/(GPa·(g·cm−3)−1) 3.20 1.88 1.94 1.38 Specific tensile modulus/(GPa·(g·cm−3)−1) 103.09 10.28 127.78 28.35 Static friction coefficient 0.187 0.385 0.470 — Dynamic friction coefficient 0.199 0.319 0.305 — Energy absorbed by specific impact/J 36.0 13.8 20.0 10.0 Hydrochloric acid resistance retention rate/% 100 40 — — Sulfuric acid resistance retention rate/% 100 70 — — Decomposition temperature/℃ 125 427 2800 550 此外，UHMWPE纤维具备优异的耐腐蚀性，几乎不与任何酸、碱或有机试剂反应，在海水、煤油、甲苯、高氯乙酸、盐酸、硫酸等液体中浸润6个月，仍能够保持100%的强度，只有极少数的溶剂能使其发生轻度溶胀。UHMWPE的耐光、耐辐照性能同样良好，经过 1500 h光照之后，纤维仍能够保持60%左右的强度，同样条件下处理的其他常见纤维的强度保持率均在50%以下，芳纶纤维更是不到20%。UHMWPE的氢含量较高，对中子、质子、重离子等高能辐射有优异的屏蔽作用，可以用于防辐射领域。
与优势相对，UHMWPE纤维存在一定不足，主要体现在以下三点。第一，由于UHMWPE纤维表面的高结晶度和非极性，其与树脂的粘结较差，界面结合力不足，受力易发生界面间的断裂、脱粘，导致复合材料的力学性能降低；第二，聚乙烯材料的熔点较低，仅在130℃上下，且拉伸条件下UHMWPE纤维的热老化速度较快，因此其最高使用温度一般在80~100℃之间，这限制了其在高温环境中的应用；第三，UHMWPE纤维的结构主链不含侧基，分子链之间作用力较弱，且分子链高度取向，在长时间受力情况下分子链间易发生滑移，出现受力下的伸长现象，抗蠕变性能不足。针对UHMWPE纤维表面粘结性能的不足，改性方法有很多，常见的有等离子体改性、氧化处理、紫外辐射交联、化学试剂交联等，在纤维表面引入活性基团或提高粗糙度；针对后两点不足，常见的改性方法为在UHMWPE原料中加入无机颗粒或偶联剂，将添加剂均匀分散在纤维内部，通过提高纤维内部分子链间的相互作用来提高其耐热性和抗蠕变性能，同时能够提高纤维的力学性能。具体改性方法在3.2节和3.3节中详述。
通过三种高性能纤维的对比可以看出，碳纤维的突出优势为超高的使用温度、高强度和高模量，存在脆性较大、横向受力易折断、抗冲击性能较差的问题；芳纶纤维的使用温度可以达到400℃，比碳纤维轻，且力学、理化性能均适中，但较易吸湿且对紫外线敏感，不耐候。与这两种高性能纤维相比，UHMWPE纤维具备密度小、强度高和比强度比模量高、耐弯曲和耐摩擦、化学稳定性优异等优点，但存在熔点低、抗蠕变性能较差及表面粘结性能较差的不足，在非高温、非长时间拉伸的使用条件下优势更加明显。
2. UHMWPE纤维的生产工艺
常见的纤维生产工艺为凝胶纺丝(又称冻胶纺丝)[15]，将少量的UHMWPE原料分散于大量溶剂中，在加热条件下混炼，形成纺丝溶液(一般UHMWPE的浓度在10%左右)，溶剂分散在UHMWPE分子链之间，使分子链之间的缠结现象减少。纺丝溶液通过喷丝板挤出，猝冷、除去溶剂并干燥，得到UHMWPE凝胶原丝，之后经过高倍热拉伸，将无序的大分子链充分伸直，以得到排布规整、高取向度的结构，制得UHMWPE纤维。
凝胶纺丝法分为干法和湿法，区别在于溶剂的选择。干法凝胶纺丝所使用的溶剂具备低沸点、高挥发性的特性，且需要对UHMWPE有较好的溶解性，常见为十氢萘。干法凝胶纺丝的工艺中，首先将UHMWPE原料溶于十氢萘，在双螺杆挤出机中混炼成浓度不超过10wt%的溶液，随后通过喷丝板挤出，进入通热氮气的甬道以除去溶剂，冷却后形成干态凝胶原丝，接着通过多级的高倍热拉伸制成高强高模的UHMWPE纤维。湿法凝胶纺丝则使用沸点高、低挥发性的溶剂，如石蜡油(LP)，高温下使UHMWPE原料在溶剂中溶解或溶胀，在双螺杆挤出机中混熔后通过喷丝板挤出，预拉伸后进入水浴或乙醇等溶剂中冷却。此刻的原丝中还含有大量的油性溶剂，称为湿态凝胶原丝，需要使用高挥发性的萃取剂，如氟利昂、二氯甲烷、二甲苯等，将湿态凝胶原丝中的溶剂萃取，接着将萃取剂挥发，得到干态凝胶原丝，进行高倍热拉伸制得UHMWPE纤维。
两种凝胶纺丝法的工艺流程如图1所示。干法凝胶纺丝的流程更短、生产效率高且成本更低，溶剂可直接回收、更利于环保，然而工艺的技术难度大，对于回收系统的密闭要求高。以同样的UHMWPE树脂为原料，干法制备的纤维结晶度、力学性能更高，纤维密度更大，热稳定性也更好[16]，在高端UHMWPE纤维的生产研究领域有更广的应用前景。然而由于生产技术的掌握不足，除荷兰帝斯曼公司的Dyneema之外，国内外几乎所有公司都使用的是湿法工艺。
凝胶纺丝法制备UHMWPE纤维的流程中，许多因素会影响成品纤维的性能，包括UHMWPE原料分子量、纺丝溶液浓度、萃取及干燥工艺、拉伸工艺等。Waqar等[17]探究了UHMWPE原料浓度、粒径、加热温度、加热时间及其相互作用对干法纺丝生产的UHMWPE纤维力学性能的影响，发现粒径和加热温度对于纤维力学性能的影响相对较小，加热时间和纺丝溶液浓度的影响较大，加热时间长、纺丝溶液浓度高的，干法UHMWPE纤维力学性能更高。陈建军[18]探究了UHMWPE树脂的分子量、粒径分布对湿法纺丝生产的纤维力学性能的影响，UHMWPE原料树脂的分子量越高、初始结晶度越高，制备的湿法纤维的力学性能越好；树脂的粒径越小、分布越均匀，越有利于其在溶剂中的充分溶解，因此应该选择分子量高、粒径小且均匀、结晶度高的UHMWPE树脂作为湿法凝胶纺丝制备UHMWPE纤维的原料。
Xiao等[19]发现湿法纺丝的临界萃取时间及萃取剂与凝胶纤维的最佳浴比分别为2 min和10 mL/g，在此基础上延长萃取时间或提高浴比，萃取效率提升较小，因此应当在最佳萃取浴比和临界萃取时间的条件下进行多次萃取，以提升效率。此外，在同样的萃取和拉伸条件下，UHMWPE纤维的熔融温度和结晶度均随纺丝溶液浓度的增大而上升，原丝和各级拉伸纤维的拉伸性和力学性能均随纺丝溶液浓度的增大而降低，这是由于浓度大的凝胶原丝形成的晶粒尺寸较大、不够致密，影响力学性能。Wang等[20]研究了萃取和干燥过程中凝胶纤维的收缩行为，该过程中界面张力的不平衡导致纤维分子链结晶，从而引起纤维在径向和轴向收缩。通过对凝胶纤维轴向收缩的限制，使其收缩的方向倾向于径向，可以有效控制UHMWPE非晶区链的长度，有利于分子链结晶的取向。轴向张紧的湿态凝胶纤维在萃取和干燥后形成的原丝更细，分子量排布更规则紧密，有助于制备强度更高的UHMWPE纤维。Cao等[21]对比了UHMWPE湿态凝胶纤维在25℃和100℃下预拉伸的结构变化，发现100℃下预拉伸有助于折叠链晶体转变为延伸链，形成高度取向的纤维晶体，为后续的多级热拉伸提供理想的前驱体。Yu等[22]研究发现，在预拉伸过程中凝胶纤维非晶态分子链的取向性和结晶度大幅提升，但力学性能基本不变。一次热拉伸后，纤维的结晶度和取向度提升相对较小，拉伸强度和模量提高十分明显(分别为一次热拉伸前的4.9倍和30倍)，形成单斜晶相和微丝晶；后续几次热拉伸后，结构更加紧密的单斜晶相含量增加，纤维的力学性能持续提升。
超倍热拉伸的初期过程中，UHMWPE纤维强度和热拉伸倍数呈正相关，但过大的拉伸倍数会破坏纤维中的晶体结构，反而导致纤维力学性能下降[23]。在一定范围内，凝胶纤维的最大可拉伸倍数和拉伸速率呈线性反比，拉伸速度每提高1 m/min，最大可拉伸倍数减小7倍[24]，因此为了提升UHMWPE纤维的力学性能，需要控制热拉伸速率。但实际生产时，拉伸速率的降低不利于生产效率，往往需要通过升温来缩短拉伸时间。然而，拉伸温度过高又会引起UHMWPE分子链的过度解缠甚至断裂，造成纤维力学性能的损失。实际生产时需要综合考虑生产效率和纤维力学性能的需求，做到对拉伸速率(拉伸时间)和拉伸温度的平衡。
除了对凝胶纺丝工艺的控制，还有许多方法可以提升UHMWPE纤维的性能。Yeh等[25]将乙酸处理的纳米氧化铝与马来酸酐接枝的聚乙烯超声处理，改性后的纳米氧化铝颗粒作为UHMWPE原料的填充物，在凝胶纺丝过程中起到成核剂的作用，制备的UHMWPE纤维结晶度和力学性能均明显提升，拉伸强度和模量最高可以达到6.4 GPa和260 GPa。同样可以起到UHMWPE纤维结晶过程成核剂作用的还有接枝改性处理的活性炭[26-27]、多壁碳纳米管[28-29]、甲壳素纳米晶[30]和氧化石墨烯[31]等，适量填充可以有效提高UHMWPE纤维的力学性能。Wang等[32]使用超临界二氧化碳(SC-CO2)处理纺丝溶液，预先让UHMWPE发生溶胀，使溶剂更易进入分子链之间，降低混熔所需的温度和时间，抑制UHMWPE原料在加热中的分子链断裂。SC-CO2处理过的纺丝溶液降解现象减少，挤出的凝胶原丝分子量更高，具有更优异的解缠效应，UHMWPE纤维结晶度和熔点均得到提升，拉伸强度提高10%。Fang等[33]以低分子量聚丁烯为溶剂，与浓度为2wt%的UHMWPE在115℃下混炼成纺丝溶液，低浓度下该体系的相分离比石蜡油作为溶剂的更加明显，UHMWPE纤维分子取向性好，拉伸强度达到4 GPa，模量超过150 GPa。同一课题组还研究了一种新的工艺[34]，将聚丁烯作为溶剂的UHMWPE纺丝溶液挤出成条状薄膜，对薄膜进行机械扭转，除去大部分溶剂并形成螺旋状的粗制纤维，经过萃取和多级热拉伸得到直径约80 mm、强度为3.2 GPa的UHMWPE纤维，突破大直径UHMWPE纤维力学性能不足的困境。Chagas等[35-36]对比了几种聚α-烯烃合成油，发现以运动黏度5.1 cSt、密度0.824 g/cm3的合成基础油PAO40作为溶剂制备的UHMWPE纤维线密度更高，表面更光滑，纤维的结晶度和降解温度均提高。
当前对于提升UHMWPE纤维性能的研究众多，主要集中于对纺丝流程中可变工艺和原料的控制。但不同的研究者在探究工艺变化对纤维性能的影响时，无法控制其他变量一致，如探究最适原料分子量时，后续的萃取、拉伸工艺可能不同；探究最佳拉伸工艺时，不同研究者使用的UHMWPE原料分子量不同、纺丝溶液浓度又不同。这导致单篇文献中探究出的最适工艺仅在该前提下适合，其他变量发生更改后，最适合的工艺条件可能发生变化，无法确定整套凝胶纺丝制备UHMWPE纤维的最适合工艺。
3. UHMWPE纤维复合材料
3.1 树脂基体的选择
由于UHMWPE纤维具备超高分子量的非极性主链，无侧基、少支链、高取向性和高结晶度的特殊结构，其表面化学惰性极为突出，这一性质使其具备优异的化学稳定性，也导致与树脂基体复合后的界面结合力不足；UHMWPE纤维还存在熔点较低，高温下力学性能损失大的劣势。UHMWPE纤维增强复合材料的树脂基体通常需要满足以下条件：(1) 对UHMWPE纤维表面的浸润性好，使复合后的材料具有较好的界面性能；(2) 树脂的性能达到复合材料用作不同用途时的力学性能或理化性能要求；(3) 固化后的树脂与UHMWPE纤维的模量相匹配，避免受力下纤维与树脂的伸长不同引起的界面剥离；(4) 根据树脂固化形式的不同，熔融或固化温度低(一般要求不超过120℃)，防止固化时对UHMWPE纤维的力学性能造成热衰退。常见的UHMWPE纤维复合材料用树脂基体可以分为热固性和热塑性两种，具体种类及其性能特点、应用领域等见表2。
表 2 常见的与UHMWPE纤维复合用树脂的优劣及应用领域Table 2. Strength, limitation and application fields of common resin for composite with UHMWPE fiberResin Strength Limitation Application EP Mild and changeable curing conditions
High hardnessPoor adhesion with UHMWPE fiber
Inadequate toughnessStructrual composites VER Common advantages of EP
Good adhesion with UHMWPE fiberSlightly worse mechanical properties TPU Good impact resistance
Good energy absorption capacity
Environment friendlyPoor adhesion with UHMWPE fiber Military protection PE Good shock absorption effect Hard to process Plates and structural composites PCH Good shock absorption effect
Easy to process— Additives for other resins Notes: EP—Epoxy resin; VER—Vinyl ester resin; TPU—Thermoplastic polyurethane; PE—Poly ethylen; PCH—Hydrocarbon resin. (1) 热固性树脂基体
UHMWPE纤维增强复合材料常用的热固性树脂基体有环氧树脂(EP)和乙烯基酯树脂(VER)。EP具备良好的力学性能、介电性能、耐腐蚀性，与各种材料的粘结性好，交联固化条件温和多变，可设计性强，是当前应用最广的热固性树脂之一。但EP与UHMWPE纤维的粘结性相对较差，导致复合材料的横向拉伸和层间剪切性能较差；由于其高交联密度的网状结构，固化后的EP存在韧性不足的缺点，常需加入增韧剂；其分子结构相对不耐候，在湿热条件下力学性能易下降。乙烯基酯树脂由环氧与不饱和一元酸加成制备，常见的有环氧甲基丙烯酸乙烯基酯、环氧丙烯酸乙烯基酯等，兼具EP的常见优点及对聚烯烃表面的较高浸润性，因此与UHMWPE纤维的粘结性相对较好。
Yan等[37]对比了相同的UHMWPE纤维织物增强EP和VER复合材料的力学性能。两种纤维/树脂复合材料在受拉伸、弯曲应力时均发生分层现象，其中环氧树脂基复合材料的拉伸、弯曲强度较高，弹性模量较高，这是由于EP具有较高的刚度，受力不易屈服；乙烯基酯树脂基复合材料的断裂伸长率较高，与纤维的界面结合相对较好，这是由于VER的交联密度相对较低，模量与UHMWPE纤维更匹配，且与UHMWPE纤维的粘结性较好。
(2) 热塑性树脂基体
相比热固性树脂，热塑性树脂的韧性、延伸性和耐磨性更好，密度较低，可回收。然而热塑性树脂的耐热性相对较差，应用温度范围较窄，且加工困难，制备复合材料的工艺要求相对高。常见的UHMWPE纤维增强复合材料用热塑性树脂基体有热塑性聚氨酯树脂(TPU)、聚乙烯树脂(PE)、碳氢树脂(PCH)几种。
TPU具备柔性的分子链，弯曲性能好，抗剥离强度高，抗冲击性能和能量吸收较好，还具有较好的化学稳定性、耐低温性能，隔热、隔音、抗震、防毒性能良好，与UHMWPE的理化性能优势较贴合。但存在与UHMWPE纤维相似的高温蠕变较明显的劣势，不适合在高温环境中使用，且对UHMWPE纤维的粘结性相对较差。
常见的PE可以分为四种：高密度聚乙烯(HDPE，又称低压聚乙烯)、低密度聚乙烯(LDPE，又称高压聚乙烯)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)和UHMWPE。PE与UHMWPE的结构相似，粘结性较好，两者复合时甚至可以做到“无界面”，多种聚乙烯、改性聚乙烯和其他添加剂的混合型胶粘剂对于UHMWPE纤维具有优异的粘结性[38]。此外，UHMWPE树脂也可以作为UHMWPE纤维增强复合材料的树脂基体，与其他PE相比，UHMWPE纤维自增强复合材料具备更高的力学性能和界面剪切强度[39]。然而PE的熔点与UHMWPE纤维相近，且熔体加工较困难，为了提高流动性常常需要提高熔融温度，复合时容易对UHMWPE纤维的力学性能造成损伤。
碳氢树脂又称石油树脂，是石油裂解的副产物加工而成的一类树脂材料，其非极性的主链结构和UHMWPE纤维具有较好的界面相容性。碳氢树脂的分子量普遍较低，具备较好的加工性能，比环氧树脂更适应纤维增强复合材料的工业加工生产。Zhu等[40]将UHMWPE纤维与碳氢树脂复合，并与EP、VER作为树脂基体的复合材料进行对比，UHMWPE纤维/碳氢树脂复合材料的拉伸强度、模量和弯曲强度均优于另外两种树脂基复合材料，层间剪切强度是另外两者的3倍以上，且在湿热条件下的力学强度保留率能达到95%以上。Zhang等[41-42]发现在碳氢树脂中共混苯乙烯可以提升复合材料的抗冲击性能，且能够有效降低树脂和UHMWPE纤维之间的热膨胀系数差异，提升复合材料在湿热环境中的力学性能和稳定性。
3.2 UHMWPE纤维表面粘结性能改性
由于UHMWPE纤维非极性的连续亚甲基分子链及高度结晶和取向的结构，其表面化学惰性极强，几乎与所有树脂粘结性差，导致复合材料易发生纤维和树脂层间的剥离断裂，限制了UHMWPE纤维增强复合材料在更多领域的应用。为改善UHMWPE纤维表面粘结性能，需要对纤维表面进行改性，较常见的改性方法有等离子体处理、电晕放电、氧化、辐射接枝、化学试剂接枝、表面涂覆和共混等。无论使用何种改性方法，目的均为在纤维表面接入活性基团并增加纤维表面的粗糙度，提高UHMWPE纤维与树脂的键合并使两表面间的机械联锁效应更强，以提高UHMWPE纤维与树脂基体间的粘结性[43]。一些改性方法容易造成UHMWPE纤维力学性能的损失(如电晕放电、氧化法)，或不适于大规模工业生产(如等离子体处理)，因此需要基于实际生产的情况进行选择。几种不同改性方法的对比见表3。
表 3 不同表面改性方法的比较Table 3. Comparison of different surface modification approachesSurface modification method Strength Limitation Plasma treatment No loss of fiber mechanical properties Complex process, inconspicuous effect
Difficult to realize industrial continuous productionCorona discharge — Liquid oxidation Simple process, obvious effect Damage to the fiber mechanical properties,
environmental pollutionSurface coating No loss of fiber mechanical properties,
simple process, obvious effectHigh cost Adding coupling agent during
blending or extractionSimple process, obvious effect Damage to the fiber mechanical properties,
modified before UHMWPE fiber formingUV radiation grafting Simple process, obvious effect
Easy to realize industrial continuous productionLong modification time Chemical reagent grafting (1) 等离子体处理
等离子体处理是一种由中性粒子与高能带电粒子组成离子体的综合改性技术，使UHMWPE纤维表面的C—C键、C—H键发生断裂产生新的活性基团，如羧基、羟基、羰基等，处理后的UHMWPE纤维更适合接枝表面改性剂，如硅烷偶联剂[44]和其他含活性基团的单体，或改性后的无机纳米颗粒[45]。
贾彩霞等[46]使用低温常压空气等离子体处理UHMWPE纤维，仅经过4 s的处理，纤维表面脱粘力提高84%，单丝拉伸强度的损失不超过6.3%，改性后的UHMWPE纤维/环氧树脂层合板的层间剪切强度增幅高达126%。Jin等[47]在等离子体处理后的UHMWPE纤维表面涂覆聚吡咯涂层，改性后的纤维与环氧树脂的层间剪切强度提高848%，复合材料的压缩性能提高54%。吴金丹等[48]在等离子体处理后的UHMWPE纤维表面接枝硅烷偶联剂，再与经硅烷偶联剂处理的无机纳米粒子接枝，不影响UHMWPE纤维本身力学性能的同时提高纤维表面的粗糙度，从而提高纤维表面的粘结性能。Liu等[49]在等离子体处理后的UHMWPE纤维表面接枝3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，随后涂覆接枝聚醚胺的氧化石墨烯，改性后的纤维表面引入活性基团，粗糙度明显提升，与环氧树脂的层间剪切强度提升727.6%。
等离子体处理方法的突出优势在于改性仅发生在浅层，对于UHMWPE纤维的力学性能影响较小或几乎没有，能够接入较多的极性基团，对纤维表面粘结性能的改善较明显。不足是影响因素较多导致可重复性不强，接入的活性基团衰减率较高，若要达到高活性基团接入率、低力学性能损失的效果，一般需要在小于40 Pa的低压下进行，对于真空度的要求较高，难以实现大规模工业化连续生产。
(2) 电晕放电
将纤维置于电晕放电装置的高频高电压电场中，引发空气电离而对纤维进行表面处理的方法为电晕放电法。电晕放电法可以对UHMWPE纤维表面进行刻蚀，提高纤维表面的粗糙度，通过提高纤维与树脂的机械联锁效应以提高两界面的粘结性。Bahramian等[50]使用常压空气电离法对UHMWPE纤维进行处理，随后涂覆硅烷偶联剂，短时间(5 s)的电晕放电处理可以在UHMWPE纤维表面引入含氧基团，有效提高纤维的硬度、模量和表面粗糙度，继续加长处理时间会导致纤维的力学性能下降。
电晕放电的劣势在于处理时间稍有延长即可能对UHMWPE纤维的力学性能造成较大损失，较难控制，表面引入的官能团保持率不高；工艺为间歇性，无法适应工业生产连续化的需求，难以投入实际的生产之中。
(3) 氧化法
氧化法即使用强氧化剂处理UHMWPE纤维，可以分为气相或者液相氧化。气相氧化法是将纤维置于臭氧等气态强氧化物中一段时间，氧化程度难以控制，容易对纤维的力学性能造成损伤，因此并不常见。液相氧化即为溶液法，将纤维浸泡在含强氧化剂的溶液中，破坏纤维表面的晶层，提高其表面粗糙度的同时使部分分子链断裂生成含氧的活性基团。常见的氧化法溶液有铬酸[51-53]、重铬酸钾[54-55]和高锰酸钾[56-57]等，也有研究使用铬酸和高锰酸钾进行二次处理[58]，以提高改性效果。Li等[59]对比了铬酸氧化前后的UHMWPE纤维织物及与环氧复合材料的力学性能，改性后的纤维单丝强度降低20%左右，与树脂的界面结合性能提高，复合材料的拉伸、弯曲性能均出现30%到60%不等的提升。Khan等[60]研究发现，液态氧化法对于UHMWPE纤维表面粘结性能的改性效果比等离子体处理法更加明显，铬酸处理后的纤维表面粗糙度提升，能够有效提高纤维与树脂的机械咬合，与树脂的层间剪切强度更高。
液态氧化法的条件简单、经济，可较显著地改善UHMWPE纤维的表面粘结性能。缺点是处理后的纤维很难保持原有的强度，力学性能随着处理时间的延长而产生损失，且使用的溶液对环境污染严重，若要进行大规模的工业生产，需要对工艺和设备进行改进。
(4) 紫外接枝
紫外接枝即通过紫外辐射在UHMWPE纤维表面接枝一层含活性基团的单体，常见的接枝单体有丙烯酸、丙烯酰胺[61]和甲基丙烯酸缩水甘油醚[62]等。李志等[63]以二苯甲酮为引发剂，浸泡24 h后在UHMWPE纤维表面紫外辐射20 min以接枝丙烯酸、甲基丙烯酸。由于辐射时间较短，UHMWPE纤维的力学性能未受到影响，接枝后纤维的水接触角从112°下降到67.88°，由于表面引入羧基，改性后的UHMWPE纤维/环氧树脂层合板的层间剪切强度提升160.9%。Wang等[64]将丙烯酰胺接枝到UHMWPE纤维表面，随着紫外辐射时间加长，接枝交联后纤维的力学性能先提高再下降，在辐射11 h时其拉伸强度提高约5%，与EP和VER复合的层间剪切强度分别提升113.9%和115.6%。
相比其他几种改性方法，紫外接枝的工艺易于控制，可以通过对辐射时间、距离、紫外光频率的控制使改性仅发生在纤维的表层，而不破坏纤维的内部结构，当辐射时间较短时，不仅不会破坏纤维的力学性能，反而有利于其拉伸强度的提升；工艺流程较简单，可以实现连续化，适合工业化生产的需求。不足是改性时间较长，容易发生副反应。
(5) 化学试剂接枝
化学试剂接枝即为将UHMWPE纤维浸润在含引发剂和改性剂的溶液中一段时间，在纤维表面接枝一些含活性基团的单体。Zhao等[65]以辣根过氧化物酶为催化剂，在过氧化氢存在下氧化邻甲氧基酚形成自由基，引发UHMWPE纤维表面接枝聚丙烯酰胺，接枝后的纤维表面粗糙度提高，复合环氧树脂的单丝拔出强度提高近70%。Tian等[66]以过氧化二苯甲酰为引发剂，马来酸酐接枝的聚乙烯蜡作为改性剂接枝改性UHMWPE纤维，改性后的纤维力学性能和表面粗糙度提高，复合环氧树脂的单丝拔出强度提升近50%。Zhang等[67]使用次氯酸钠对UHMWPE纤维进行氯化，接枝甲基丙烯酸2-羟乙酯，与环氧树脂复合后的冲击强度和弯曲强度分别提高46.7%和36.5%。Ahmadi等[68-69]在UHMWPE纤维表面自由基聚合甲基丙烯酸甘油酯，改性后的纤维表面极性和表面能分别提高85%和52%。Jian等[70]将UHMWPE纤维置于六水氯化铁(引发剂)和吡咯单体的溶液中浸泡4 h接枝羟基，随后涂覆氨基化的氧化石墨烯，改性后的纤维与聚甲基丙烯酸甲酯的层间剪切强度提升22%，断裂面不再观察到明显的纤维拔出。Zhu等[71]将UHMWPE纤维在含引发剂的十氢萘溶剂中预溶胀，随后使用聚(环氧乙烷)单油酸酯进行改性。溶胀后的UHMWPE纤维表面非晶区分子链缝隙扩大，可以较顺利地引入改性剂，与环氧树脂复合后的冲击强度提高43.5%。杨燕宁等[72]探究了硅烷偶联剂对UHMWPE纤维改性的最佳工艺，硅烷偶联剂KH-550溶液的浓度为17.5%，处理温度55℃，处理时间7 h，UHMWPE纤维的断裂强力损失仅有2.44%，层间剪切强度提高35.22%。
化学试剂接枝可以通过处理时间、温度、浓度等因素实现对于处理效果的控制，有效降低对纤维性能的损伤。溶液法的处理可以在纤维成型之间实现，也可以用于拉伸成型后的纤维，选择更多，且流程相对简单，更适于工业化、连续化生产，但相比氧化、紫外辐射等方法，对UHMWPE纤维表面粘结性能的改性效果相对不明显。
(6) 其他改性方法
除上述常见的使UHMWPE纤维表面分子链发生断裂并引入活性基团的改性方法，还有一些不损害纤维分子链的方法，如表面涂覆、共混和萃取中引入活性单体。
常见的UHMWPE纤维表面涂覆材料为多巴胺单体，可以在碱性条件下自聚合形成聚多巴胺涂层，具备较好的黏附力和环境适应性，作为功能层与其他单体、无机颗粒等连接。冯霞等[73]使用聚乙烯亚胺对涂覆聚多巴胺的UHMWPE纤维进行二次功能化，在纤维表面引入羟基、氨基等活性基团。改性前后的纤维力学性能基本不变，与环氧树脂的粘结性随着聚乙烯亚胺溶液的浓度出现先升后降的趋势，界面剪切强度最高提高65.27%，断裂面观察到的纤维脱出现象明显减少。冯霞等[74]还在聚多巴胺改性的UHMWPE纤维表面引入无机TiO2，在保持纤维力学性能的前提下提高表面粘结性能。Chhetri等[75]在涂覆聚多巴胺的UHMWPE纤维表面二次涂覆聚酰胺-6,6，纤维拉伸强度提高11%，表面粗糙度提高，聚多巴胺单层涂层、聚酰胺-6,6单层涂层和聚多巴胺/聚酰胺-6,6双层涂层改性的UHMWPE纤维与环氧树脂的界面剪切强度分别提高8.7%、22.7%和40%。Hu等[76]、Zhang等[77]、Shanmugam等[78]和Fang等[79]分别在涂覆聚多巴胺的UHMWPE纤维表面引入环己烷二胺、3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、功能化MWCNTs和纳米氧化锌。此外，赵晗等[80]使用邻苯二酚-多乙烯基多胺双组分体系替代多巴胺，其聚合机制与聚多巴胺相似，但避免了多巴胺分子内环化的问题，且价格较便宜。改性后的UHMWPE纤维结晶度和力学性能未发生改变，表面粗糙度明显提升。随着改性时间的加长，UHMWPE纤维表面粘结性能的提升越明显，当改性时间超过16 h，纤维表面与水的接触角从122°下降到0°，扫描电镜下纤维单丝拔出后对于树脂结构的破坏更加明显，与环氧树脂的界面剪切强度提高44%。
Wang等[81]在UHMWPE纤维表面涂覆一层丹宁酸-Na+涂层，改性后的纤维力学性能及与环氧树脂复合的层间剪切强度均出现提升，且两者的提升均随着浸润时间的延长而先增后降，在处理6 h时达到最高值，此时纤维与环氧树脂复合的层间剪切强度提升43.3%。李翠玉等[82]将纳米SiO2包覆的无机氧化锌颗粒分散于KH-550共混的环氧树脂基体中，混合均匀得到无机-有机复合溶胶，将UHMWPE纤维在复合溶胶中浸泡1 min并固化。该无机-有机复合溶胶在UHMWPE纤维表面形成一层均匀致密的涂层，纤维断裂强度提高22%，表面粗糙度提高，改性后的纤维与环氧树脂的层间剪切强度提高50%左右。赵晗等[83]使用低温水热法在UHMWPE纤维表面生长一层氧化锌纳米棒，改性后的纤维增重仅5wt%，力学性能几乎无影响，与环氧树脂的层间剪切强度提高58.1%。Yu等[84]以牛血清白蛋白作为粘合剂，将MXene涂覆在UHMWPE纤维表面，改性后的纤维表面粗糙度和表面活性均出现提升，与环氧树脂的界面剪切强度提高116%，与橡胶复合后的剥离强度提高两倍以上，且呈现良好的导电效果，可以应用于电子纺织品。
除表面涂覆以外，还有共混、萃取中引入等需要在UHMWPE纤维的生产过程中进行的改性方法。邝金艳等[85]将极少量UHMWPE原料与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)共混，使用凝胶纺丝法制成纤维，共混改性后的纤维熔点和结晶度稍有降低，力学性能有少许下降，纤维在水中的湿润长度和其与环氧树脂复合的界面剪切强度分别提高133%和44.3%。Khan等[86]将UHMWPE原料与尼龙-6、单壁碳纳米管(SWCNTs)共混，并添加聚乙烯接枝马来酸酐作为增溶剂，Zhao等[87]将UHMWPE原料与接枝偶联剂的纳米SiO2共混。Zhang等[88]使用硅烷偶联剂KH-550溶于二甲苯中制成浓度1wt%的溶液，对经过一次萃取的湿态凝胶原丝进行二、三次萃取并烘干热拉伸，改性后的纤维断裂强度和模量分别提高了11%和37%，与环氧树脂的层间剪切强度提升108%。萃取过程中引入偶联剂KH-550接枝的纳米SiO2[89]，引入不超过1wt%的无机颗粒使改性后的UHMWPE纤维拉伸强度和模量最高提升23.2%和76.1%，表面接触角明显降低，与环氧树脂的界面剪切强度提升约150%。
3.3 UHMWPE纤维耐热性能和抗蠕变性能的改性
除表面粘结性能差，UHMWPE纤维还存在耐热性能和抗蠕变性能不足的问题，导致其在高温、长时间拉伸条件下的应用受限。UHMWPE纤维耐热和抗蠕变的改性一般在生产过程中，采用原料中共混无机颗粒或偶联剂的方法，提升耐热性能和抗蠕变性能的同时也能提高纤维的力学性能。也有些研究使用紫外辐射使UHMWPE纤维的表面和浅层交联，在尽量不损失纤维力学性能的前提下提高其耐热性能和抗蠕变性能。不同改性方法对于纤维性能不足的改善效果不同，但均需要严格控制改性剂用量、工艺、辐射时间等变量，以期在改性的同时使UHMWPE纤维优异的力学性能得以保持。
于俊荣等[90]使用凝胶纺丝法制备UHMWPE纤维，在萃取阶段引入纳米SiO2颗粒，改性后的纤维模量提高10%，断裂伸长率有所降低，且受热断裂温度有一定提升。周文博等[91]通过在UHMWPE原料中填充共混纳米石墨烯，采用熔融纺丝法制备UHMWPE/石墨烯纳米复合纤维，少量添加时(3wt‰添加量)复合纤维的结晶度由59%提升至66%，断裂强度提高31.9%，3 N恒定力下单丝的蠕变率降低36.4%，石墨烯的填充可以有效限制UHMWPE纤维内部分子链间的受力滑移，提高UHMWPE纤维的力学强度和抗蠕变性能。
郎彦庆等[92]通过浸润法，在过氧化物的引发下使用硅烷偶联剂对UHMWPE纤维布进行接枝处理，并加热交联。接枝交联后的UHMWPE纤维力学性能明显提高，根据氧化剂或硅烷偶联剂浓度的不同，拉伸强度最高可以提升38.7%。改性对于UHMWPE纤维的持续拉伸伸长率变化并不明显，但未经改性的纤维在0.85 GPa的拉伸应力下持续拉伸60天后断裂，而改性后的纤维未断裂，这证明硅烷接枝交联对于UHMWPE纤维的蠕变性能同样有改善作用。张秀雨等[93]在UHMWPE纤维萃取阶段引入硅烷偶联剂和热引发剂，使其在纤维热拉伸过程中接枝并在纤维内部和表面交联。改性后的纤维断裂强度和断裂伸长率均出现不明显的降低现象，而模量出现一定提升，这是由于引入纤维内部的交联硅烷减少了UHMWPE分子链之间的滑移。硅烷在纤维内部接枝交联对于UHMWPE纤维的蠕变性能改善极为明显，且温度越高，改善效果越好，40℃下的改性前后纤维蠕变伸长率降低37%，70℃下降低77%。同样使用硅烷偶联剂对UHMWPE纤维进行改性，上述两研究中改性方法的差异导致硅烷接枝交联的深度不同。前者的研究中，将UHMWPE纤维布浸润在硅烷偶联剂溶液，成型的UHMWPE纤维结构紧密，硅烷很难进入深层的分子链之中，因此接枝交联仅发生在表面，对纤维抗蠕变性能的改善较不明显。后者的研究中，在UHMWPE纤维制备工艺的萃取过程中引入硅烷偶联剂，此时的UHMWPE分子链并未形成高取向的紧密结构，硅烷偶联剂能够进入纤维内部分子链间并均匀分散，热拉伸过程中在纤维内部分子链之间交联，能够更好地提高UHMWPE纤维分子链间的作用力，减少受力下分子链之间的滑移，对于UHMWPE纤维抗蠕变性能的改善效果更明显。
紫外辐射交联的原理为UHMWPE纤维的部分分子链在紫外辐射下发生断裂并产生自由基，自由基结合并在纤维表面和内部形成网状的交联结构，从而提高分子链之间的作用力，提高纤维的耐热性和抗蠕变性能。由于UHMWPE的主链为饱和的碳碳键，且侧基上没有感光基团，对于紫外辐射的吸收效果不好，需要光引发剂或光敏剂引发产生自由基。紫外辐射交联一般仅发现在纤维的表面和浅层，过深会导致UHMWPE纤维内部的分子链断裂导致力学性能下降，过浅改性效果不明显，因此紫外光的强度、频率、辐照距离、时间及引发剂的种类、浓度等因素的选择和控制均对于UHMWPE纤维的紫外辐射交联效果有很大影响。徐明忠等[94]探究了UHMWPE纤维溶胀时间、交联剂浓度、紫外辐射时间等因素对交联改性效果的影响，研究中以三聚氰酸三丙烯酯为交联剂，二苯甲酮为光引发剂，丙酮作为溶胀剂和溶液，选用365 nm波长的紫外光源，光源距离UHMWPE纤维15 cm。UHMWPE纤维溶胀24 h、交联剂浓度30%、辐照时间90 min时纤维抗蠕变性能的改善效果最好，蠕变伸长率降低65%。
4. UHMWPE纤维增强复合材料的织造、复合工艺
常见的UHMWPE纤维复合材料有单向(UD)布和织物增强复合材料两种，纤维织造工艺及与树脂复合的工艺不同均会对纤维增强复合材料的结构与性能产生影响。
4.1 UD布
UD布又称单向布或无纬布，是UHMWPE纤维浸润树脂基材后平行排列成单层UD预浸料，数张预浸料平行或正交层叠压制而成，层内和层间纤维均无交织的一种复合材料。UHMWPE纤维UD布具备良好的韧性和抗冲击性能及多种环境下的适应能力，常用作软式防弹衣、防弹头盔或者防弹板材的背板材料，当前近半的UHMWPE纤维用于UD布的生产。UHMWPE纤维UD布的制备工艺较简单，图2为UD布制备工艺原理示意图。将退绕的UHMWPE纤维通过浸胶锟，充分浸润树脂，通过刮浆锟以调节树脂含量，随后在滚筒上平行缠绕，UHMWPE纤维的面密度、与树脂的比例通过滚筒的转速、纤维的缠绕位置进行控制，树脂固化制成单层UD预浸料；工业UD布生产线为多束纤维平行排列、退绕，连续浸润树脂并平行排布，经过数个辊轴成型，效率更高，预浸料的面密度、树脂含量等更易控制。单层预浸料以同向/正交等形式层叠，热压成型，即可制成层叠的UHMWPE纤维UD布。
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图 2 单向(UD)布制备工艺原理示意图Figure 2. Schematic diagram of preparation process principle of unidirection (UD) cloth马华菁等[95]以不同单丝强度的UHMWPE纤维与水性聚氨酯树脂复合，制备不同树脂含量的UD布，探究了纤维单丝强度和树脂含量对于UD布力学性能的影响。发现随着纤维单丝强度的提升，相同树脂含量下UD布的纵向拉伸强度随之提升，不论何种纤维单丝强度制成的UD布，断裂时均为脆性破坏，可以看出UD布的纵向抗拉能力主要源自纤维而非树脂。三组测试中，单丝拉伸强度3.5 GPa和3.7 GPa的UD布断裂伸长率接近3.8 GPa纤维的一倍，因此虽然3.8 GPa纤维的UD布拉伸强度最大，能量吸收反而不如另外两种单丝强度更小的材料，3.7 GPa单丝强度的UD布能量吸收最高，这是由于单丝强度更高的纤维往往经过温度更高、拉伸倍率更大的热拉伸，在提高弹性模量的同时牺牲了纤维的伸长性能。对于高抗冲击性能的UD布，断裂伸长率过小会导致受力易断裂，因此UD布的能量吸收需要对UHMWPE纤维单丝强度和断裂伸长率进行综合考量。纤维含量对于UD布的影响同样不小，按照常理，UHMWPE纤维的力学性能远大于树脂基体，那么纤维含量越高，所制成的UD布力学性能应该越好。在纤维含量较少(<75wt%)时UD布的力学性能确实与纤维含量成正比，但若纤维含量过大，会导致单丝与单丝之间、层与层之间的黏结不足。纤维含量为75wt%时，正交层叠的UD布拉伸断裂后未出现分层现象，而纤维含量80wt%和85wt%时出现明显分层，这是单片布层与层之间的黏结不足导致的。因此需要根据实际情况控制UD布的纤维含量，并非纤维含量越高越好。
4.2 织物增强复合材料
将UHMWPE纤维编织成织物，整体浸润树脂固化成型的复合材料叫做织物增强复合材料，可以细分为二维织物层合材料和三维织物复合材料。
UHMWPE纤维的二维织造工艺可以分为机织和针织，机织织物纤维弯折较少，力学稳定性和尺寸稳定性更强，相比UD布，抗剪切能力更强；针织工艺相对较复杂，织物中纤维弯曲、缠绕更多，力学性能稍差，但由于纤维之间的交织和摩擦更多，能量吸收、抗冲击性能和韧性更好，针织工艺可以直接织造成结构较复杂的构件而不需成型后剪裁，有利于减少材料浪费，节约成本。三维织物复合材料是使用机织、针织或编织方法将UHMWPE纤维直接织造成有一定厚度的三维织物，浸润树脂后直接固化成型，纤维在三维空间中相互交织成整体，不分层。由于不需要树脂进行层与层之间的黏结，不存在层间撕裂滑移问题，UHMWPE纤维三维织物复合材料的强度和刚度比二维层合复合材料高，且可以按照需要的材料结构形状直接织造，但树脂难以在厚度较大的三维纤维织物内部均匀、充分浸润，影响复合材料的力学性能。
不论是二维还是三维织物，立体结构的复合材料有一定厚度，固化时需要树脂均匀浸润，才能保证复合材料结构和性能的整体性。对于面密度较小的二维织物层叠复合的材料，可以使用和UD布相同的热压工艺，即将织物与树脂基体预浸复合后层叠后热压固化。由于UHMWPE纤维的表面湿润性不足，若织物结构较密，或者织物的厚度较大，则很难做到完全浸润，此时常见的复合方式为真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM)[96]，将织物置于模具中，在抽真空的条件下注入树脂基体并固化。VARTM工艺使用的设备较简单，且模具可设计性强，高真空度有利于树脂在织物内部的充分浸润，并且能够使纤维织物的结构更加紧密，提高整体的力学性能。
相较于UD布较简单的工艺，二维/三维织造工艺具有更多的可设计性，能够对复合材料的性能造成影响的因素有很多，如对纤维束的加捻、织物层数、织造方式、紧度、纤维线密度、经纬密和层叠方式等。由于UHMWPE纤维表面的高惰性和高结晶度的光滑结构，纱线彼此之间摩擦较小，集束性较差，不加捻则容易发生纱线之间的滑移，不利于纤维束整体的力学性能，甚至可能在织造、使用过程中飞丝或与机器缠绕造成危险。徐海燕[97]使用不同捻度的UHMWPE纤维束织造成纬平针织物，探究了捻度对于UHMWPE纤维束可织造性及力学性能的影响，发现加捻可以有效提高纤维的集束性并减小纤维束的弯曲刚度，以此提高纤维束的可编织性，但因加捻后纱线之间彼此摩擦，单丝的力学性能会受到损伤，若捻度过高还会造成纤维束整体的力学性能下降。贾静艳等[98]针对UHMWPE纤维纬平针织物的层叠数对复合材料力学性能的影响进行了探究，发现随着织物层数的增加，复合材料的弯曲性能、压缩性能和抗冲击性能均出现提升，最大拉伸应力和拉伸能量增大，但拉伸强度和比拉伸强度出现降低现象。UHMWPE纤维织物增强复合材料受到拉伸应力时，首先是树脂承受载荷，随后树脂和UHMWPE纤维织物共同承受载荷；随着拉伸应力的不断提高，树脂被破坏，纤维织物开始出现拉伸变形，但增强结构未被破坏；随着拉伸应力继续加大，纤维织物的拉伸形变达到最大值(即断裂伸长率)，复合材料产生逐层断裂破坏。
邹画眉等[99]探究了二维机织结构、紧度、纤维线密度、织物经纬密和层叠方式等不同针织工艺对UHMWPE纤维织物复合材料防刺性能的影响。在纬密度不变的前提下，经密度越大，织物紧度越大，织物的刺破强度和吸收能量均增加，而临界刺破位移、刺破力和刺破能量随着经密度的增大出现先增后减的现象，这是由于纱线过密时相互之间摩擦力增大，被外力刺入时滑移困难，纱线未及伸长便被切割断，切割后刀尖需要克服的变形反作用力与摩擦阻力增强，刺入困难，总体刺破力最高，但若衡量织物防刺性能的要求为“不被刺破”，织物紧度过大反而不利于防刺性能的提高。平纹织物的防刺性能呈现各向异性，因此单层织物应当以不同角度进行层叠复合，可以有效消除其防刺性能各向异性的不利影响。李翠玉等[100]以环氧树脂和六层的纬平针、罗纹、畦编三种UHMWPE纤维针织物复合，对三种复合材料的压缩性能进行了探究，发现三种复合材料的压缩破坏均非脆性破坏，即损坏发生在树脂基体而非UHMWPE纤维，纬平针结构复合材料的比压缩强度和比压缩能量均最大。王景景[101]使用全自动剑杆织样机编织UHMWPE纤维，通过VARTM工艺制备复合材料，针对三种不同的三维编织结构对UHMWPE纤维力学性能的影响进行了探究，在纬密度一致的前提下，三种编织结构的紧密程度不同，宏观表现为织物的厚度不同。紧密程度越大的织物，复合材料具备越高的纤维体积分数，抗弯曲能力和压缩强度越大。Ahmer等[102]探究了纤维织物的弯曲程度对于增强聚氨酯复合材料的冲击传递特性的影响，发现纤维在树脂基体中的弯曲会导致受冲击情况下力传递降低87%，同时也会使衰减速率下降高达82%，对复合材料整体的抗冲击性能影响较大。
5. UHMWPE纤维的应用
UHMWPE纤维具备一系列突出性能，在所有高性能纤维当中具备最高的强度和比强度，耐氧化、耐光、耐老化性能优异，极适合编织成高强高模的绳索使用；不与酸碱盐和几乎所有有机溶剂发生反应，还是当前密度最小、唯一一种可以漂浮在水上的高性能纤维，适合应用于海洋渔业等民用领域；UD布和织物抗冲击、弯曲性能和抗剪切能力强，对于能量的吸收和传递能力强，在软式防弹防刺材料领域及硬质防护材料背板等军事领域具备突出的应用价值，见图3。除优异的力学性能外，UHMWPE纤维还具备良好的介电性能，可以应用于锂离子电池隔膜[103-106]、透波雷达罩[107-108]等；具备良好的自润滑性、生物相容性，可以用于医用生物关节[109-113]；表面具备疏水性，能够在低温下保持良好的力学性能，有望应用于防结冰的结构部件[114-115]。受限于篇幅，本文主要总结UHMWPE纤维及其复合材料在力学特性方面的应用。
5.1 民用领域
UHMWPE纤维在民用领域的应用基本可以归为三大类：高性能特种绳缆、海洋领域和民用防护领域，大部分使用方式为直接将纤维编织成绳索或织物，仅使用极少量的树脂添加以改进其性能，仅有少部分是使用UHMWPE纤维增强复合材料，如海洋用防水耐腐蚀的箱体、轻便船体构件等。
UHMWPE纤维具备高强高模量的突出性能，自重下的断裂长度是钢的8倍，芳纶的2倍，并具备多种环境下的适应性，耐腐蚀、水解、紫外线等，适合制作高性能绳索。对于高性能绳索来说，最受关注的性能有断裂强力、断裂伸长率和疲劳力学性能，UHMWPE纤维编织的绳索具备较高的断裂强度和伸长率，但抗蠕变性能较差，疲劳力学性能相对较弱势，特别是在高温和持续拉伸下，纤维的力学性能损失较大。吕生华等[116]针对UHMWPE纤维的捻度和浸胶处理对绳索性能的影响进行了探究，发现纤维的断裂强力随着捻度的增大而减小，这是由于捻度过大时纤维彼此摩擦产生损伤，少量的浸胶处理可以有效提高纤维的断裂强力，改性氯丁胶粘剂或聚氨酯胶粘剂的含量为6wt%时，UHMWPE纤维的断裂强力分别增加17.2%或13.9%，并有效改善其耐磨性能。
常见的渔用绳索纤维材料有聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、UHMWPE和混合纤维等，标准《渔用绳索通用技术条件》[117]针对不同线密度渔用绳索的最低断裂强力提出标准，对比不同纤维绳索的最低断裂强力要求可以看出，UHMWPE纤维制绳索的断裂强力要求几乎是其他纤维材料的10倍，足以见其力学性能的优越性。石建高等[118]对比了UHMWPE纤维与多种常见渔用纤维的综合性能，包括密度、强度、模量、断裂伸长、耐磨性、耐冲击性、耐弯曲老化性等，发现除多次弯曲持久性稍低于部分纤维之外，UHMWPE纤维的其他性能指标均高于其他纤维。研究者对国内外的UHMWPE纤维渔用绳索的使用情况进行了一定总结，由于UHMWPE纤维的低密度，在使用相同功率和设备的条件下，可以使用更多、更长的绳缆，围网更加大型化，提高效率并降低能耗。对于海洋用高性能纤维绳索，除了力学性能方面的要求，还需要其保持在海水中的低溶胀率、高性能保持率，UHMWPE纤维在这些方面显然表现出色，吸水性极低，在海水、酸碱溶液和有机溶液中浸泡六个月的力学性能保持率100%，是海洋渔业领域中理想的纤维材料，有望在海洋牧场、深海网箱等新兴渔业场景中扩大应用。
UHMWPE纤维具备较好的耐磨性、防刺性和柔软度，使用周期长，直接接触各种危险品也不会损伤性能，编织成的织物十分适合制作民用的防护手套，用于手术、实验和机械加工等方面。但由于UHMWPE纤维的产能相对较低，大部分被用于军事防弹防刺材料和绳索的制备，在民用防护手套方面的应用和研究相对较少，同时，UHMWPE纤维具备加工性能较差、热变形温度低的不足，限制了其在防切割领域中的应用。杨正国[119]将仪征化纤400 D线密度UHMWPE纤维生产三级和五级防切割手套与常见的棉纱防护手套的性能进行了对比，其防切割指数、耐摩擦周期和耐撕裂强度均远超过棉纱手套，且具备轻薄透气、柔软舒适、弹性好等优势。当前国内的防切割手套产量以每年15%的幅度在不断上升，但国内消化产量的能力不足，出口量占总产量的95%以上，研究者认为这是国内企业对UHMWPE纤维防切割手套的认识不足及对劳动者的防护意识不到位导致的。
5.2 军事防护领域
根据余黎明[120]统计，2010年全球60%的UHMWPE材料用于军事防护装备的制造，20%用于绳缆，10%用于渔业和劳动防护等民用领域，剩余的10%用于其他领域。军事防护领域中，UHMWPE纤维主要用于制造UD布，作为软式防弹衣、防弹头盔的关键防弹层，或者与陶瓷或金属面板粘结、作为硬质防弹板的背板。作为防护材料，UHMWPE纤维最重要的性质为高冲击强度和高能量吸收，其比冲击总吸收能量分别是碳纤维、芳纶纤维和E-玻璃纤维的1.8、2.6和3倍。UHMWPE纤维具备重量轻的重要优势，防弹效果相同的UHMWPE纤维头盔的质量只有芳纶头盔的2/3[121]，同时具备较好的柔软性，穿着较舒适，这点在个体防护领域十分重要。
(1) 软质防弹防刺衣
常见的防弹衣结构包含外衣罩和内部的防弹层。衣罩一般为化纤织物，起到整体的造型作用，同时依照使用需求设计口袋、绑带等，几乎无防弹防刺功能；防弹层一般为软质的纤维复合材料，将袭来的子弹刀具等弹开或锁住，降低冲击能量，高等级的防弹层还包括可取出的防弹插板或缓冲层，起到消除冲击能量，减轻非贯穿损伤的作用。与硬度大但韧性较差、受到横向应力易破碎的碳纤维和玻璃纤维相比，UHMWPE纤维和芳纶纤维具备柔性的分子链，伸长率高，屈服强度低，受到冲击时横向的变形较明显，但仍能够保留其大部分拉伸承载能力[122]，因此这类纤维材料适合与韧性、抗穿刺性能和吸能性能较强的热塑性树脂复合[123]，制造软质防弹防刺材料。与芳纶纤维相比，UHMWPE纤维在防弹领域的优点主要是较高的力学性能，同时具备较好的环境适应性，如耐光、耐水、耐氧化等，可以较稳定的长期使用，且在低温下也具备良好的防弹性能；劣势在于耐热性差，子弹高速击中的摩擦生热可能导致熔融，且与树脂的界面结合力低，受冲击下易发生结合面间的分层，影响复合材料的整体结构和二次抗冲击能力。
2020年，公安部第一研究所针对国内91家生产防弹衣、防弹头盔的企业产品进行了分析和测试[124]。国内警用防弹衣的防弹层材料大部分为UHMWPE纤维，少部分为芳纶纤维，剩下小部分为UHMWPE纤维和芳纶纤维的复合结构。等级越高、防弹指标越高的防弹衣，芳纶纤维所占的比重越小，UHMWPE纤维和UHMWPE/芳纶纤维所占的比重越大，防弹效果最高的六级防弹衣为UHMWPE/芳纶纤维复合材料。高等级防弹衣所用的防弹插板几乎全部为UHMWPE纤维材料作为背板的复合板，包含UHMWPE+泡沫缓冲材料、UHMWPE+芳纶+泡沫缓冲材料、UHMWPE+陶瓷板、UHMWPE+芳纶+陶瓷板等组合。由此可见，轻量、柔软、防弹效果好且价格便宜的UHMWPE纤维已经是当前警用防护领域的主流。
UHMWPE纤维防弹衣的防弹层一般使用层叠工艺，将浸润树脂的UHMWPE纤维平纹织物或UD布叠合后压制，一般需要层叠50层以上。袁子舜等[125]研究发现，当多层防弹层受到子弹冲击时，前层相对受更大的剪切应力，后层受到更大拉伸应力，因此复合防弹层的前层应选用抗剪切性能更强的材料，后层则选用抗拉伸性能更强的材料。曹海建等[39]以抗剪切能力较强的UHMWPE纤维平纹/斜纹织物作为防弹层的迎弹面，以抗拉伸性能和冲击能量吸收性能较强的正交层叠的UD布作为后层，使用热塑性树脂作为基体热压而成。UHMWPE和芳纶两种高性能纤维制备的软质防弹层在性能上做对比，UHMWPE纤维防弹层的弹性模量更高，抗拉伸和抗冲击性能更好，芳纶纤维防弹层的剪切模量更高。依照“防弹层合板前层受到更高的剪切应力，后层受到更高的拉伸应力”的结论，两纤维制备混杂复合防弹材料时应将芳纶纤维置于前层，UHMWPE纤维置于后层。肖文莹等[126]的研究验证了这一结论，并发现芳纶纤维和UHMWPE纤维两层的厚度比为1:2时防弹效果最好。
剪切增稠液(STF)是当前柔性防刺领域的研究热点之一，可以作为UHMWPE纤维UD布或织物的增强材料。STF是一类纳米无机分散相均匀分散于溶剂中制成的一种浊液，具有受到剪切应力后先变稀后立刻增稠的流变性能，在保证不影响人体正常活动的前提下，受到刀具攻击时立刻增稠。纳米无机颗粒分散在极性介质中时，颗粒表面的羟基和介质中的羟基形成氢键，固液间形成类似网状结构的成键-断键的动态平衡。在受到强烈的外应力作用时，网状结构的氢键被破坏，颗粒在介质中的流动性变强，宏观表现就是液体变稀，很快，这些孤立的颗粒在外应力的作用下聚集形成粒子簇，出现液体黏度变大的现象，即剪切增稠，且这种增稠效果具备可逆性[127]。UHMWPE纤维/STF复合防刺材料的制备相当简单，将制备好的UHMWPE纤维织物或UD布在STF中浸泡一段时间(数分钟到一个小时不等)，取出后烘干即可[128]。徐素鹏等[129]发现STF/UHMWPE无纺布的防刺效果好于STF/UHMWPE机织布。相同的冲击能量下，9层STF/UHMWPE无纺布复合材料能够提供相当于20层纯UHMWPE机织布的保护，5层STF/UHMWPE无纺布复合材料提供相当于13层纯 UHMWPE无纺布的保护。STF/UHMWPE+UHMWPE复合材料的防刺性能优于STF/UHMWPE复合材料单独使用，相同的试样质量、厚度下，将STF/UHMWPE复合材料置于前层时吸收能量效果比放在后层时好，这是由于STF/UHMWPE复合材料的抗剪切能力强，UHMWPE复合材料的抗拉伸能力强，两者叠加效果更好，这点与上述研究的结论相同。此外，Ahmad等[130]和Firouzi等[131]在UHMWPE织物上涂覆树脂涂层，涂层后的织物防弹、防刺性能均得到提高。
(2) 硬质防弹板
除常见的软式防弹层，UHMWPE纤维还可以用于制造硬质防弹板的背板，作为特种车辆、武装直升机和战机等的防护装甲。国内目前大部分航空装甲为合金、防弹玻璃，而国外已经使用陶瓷-纤维增强复合材料的轻质高性能装甲，能抗大口径穿甲燃烧弹，实现军事装备现代化、轻型化，提高部队战斗力。硬质防弹板的迎弹面一般为氧化铝、碳化硼、碳化硅等硬度大的陶瓷材料，常见数块正六边形陶瓷块黏结而成，以提高多次弹击的防弹性能。由于陶瓷材料的韧性较差，易破碎，需要抗冲击性能和拉伸性能好的纤维增强树脂复合材料作为背板，降低陶瓷面板在受到冲击时的碎裂、飞溅风险，进一步消减防弹板受到的冲击能量[132]。UHMWPE纤维复合材料背板与陶瓷面板通过树脂材料粘接，该树脂材料需要具备较高的剪切强度和断裂韧性，同时需要对UHMWPE纤维复合材料有较好的粘结性能，因此最好选择与复合材料所用树脂基体相同或结构相似的树脂。刘胜等[133]对多种热塑和热固性树脂作为陶瓷防弹板粘结层的效果进行了探究，发现热塑性树脂比热固性树脂的抗多次打击能力强，热固性树脂固化后较脆，受冲击下易碎裂，甚至会导致完好的陶瓷片脱落。
欧阳科峰等[134]测试了多种氧化铝陶瓷和UHMWPE纤维背板的组合方式对53式7.62 mm穿甲燃烧弹的防弹效果，发现7 mm的氧化铝陶瓷与10 mm的UHMWPE纤维背板的复合结构能够防护53式7.62 mm穿甲燃烧弹侵彻，单层9 mm陶瓷的防弹效果好于两层4.5 mm陶瓷叠加，等面密度下，陶瓷-UHMWPE-陶瓷-UHMWPE的多层复合结构防弹效果较差。因此在同等重量和面密度的情况下，结构最简单的单层陶瓷迎弹面+单层UHMWPE纤维复合材料背板的结构防弹效果最好。刘迪等[135]设计了单层芳纶纤维-SiC陶瓷层-单层芳纶纤维-UHMWPE纤维层合板的复合结构，测试了几种不同的厚度组合方式对7.62和5.8 mm口径的不同弹药防护效果，并建立模型进行数值模拟分析。研究发现，抗侵彻过程中复合结构中的SiC陶瓷层对子弹起到钝化的作用，并非主要的吸能层；单层芳纶层的作用主要是将碎裂的陶瓷粘接，起到止裂和防溅的作用；UHMWPE层合板的穿透、分层等形式有效抵消子弹大部分的能量，担任最主要的吸能层。贾楠等[136]发现随着UHMWPE纤维层合板或SiC陶瓷厚度的降低，复合防弹板的防弹性能逐渐下降，10 mm厚SiC+13 mm厚UHMWPE层合板是抗53式7.62 mm穿甲弹多发弹道侵彻的最佳结构，较厚的UHMWPE层合板面密度有利于能量的吸收和对于陶瓷面板的支撑。
陶瓷面板和UHMWPE纤维层合板之间的力学性能差距过大，界面之间的载荷传递并不理想，张佐光等[137]在陶瓷面板和UHMWPE纤维层合板之间添加一层较薄的碳纤维或玻璃纤维的刚性梯度层，梯度层的刚度、韧性等力学性能介于陶瓷材料和UHMWPE纤维层合板之间，能够起到两层之间的缓冲作用，有效提高复合防弹板的防弹性能。秦溶蔓等[138]对SiC陶瓷-碳纤维/环氧刚性层-UHMWPE纤维层合板的复合形式进行了探究，研究发现不同层间的界面粘结力并非越高越好，粘结力过高会影响纤维的拉伸性，对其抗冲击性能造成损伤；碳纤维层的厚度越大，能量吸收越高，但达到一定程度后提升缓慢，继续加厚帮助有限；UHMWPE纤维层合板的厚度越大，防弹板整体的能量吸收越高。最佳组合方式为陶瓷层厚度10 mm，碳纤维增强环氧树脂复合材料厚度5 mm，UHMWPE纤维层合板厚度25 mm，整体质量较轻，同时具备较好的防弹性能。秦溶蔓等[139]还将UHMWPE纤维和碳纤维以多种组合方式进行层间的混杂层叠，发现两纤维混杂后的层合板具备协同效应，相较于由单一纤维构成的层合板，混杂纤维层合板的防弹性能明显提高，对子弹动能的衰减量较碳纤维和UHMWPE纤维复合材料分别提高4.91%和17.88%，混杂纤维层合板的密度比碳纤维层合板低约20%。
5.3 对碳纤维结构复合材料的增强
与其他高性能纤维相比，UHMWPE纤维具备高比强、抗冲击性能好和韧性好、质量轻、化学稳定性好等突出优点，但存在耐热性低和表面惰性过强的劣势。尤其是表面惰性过强造成，由于与树脂基体间的界面结合力较弱，界面间传递载荷的能力不足，导致UHMWPE纤维超高的力学性能无法发挥出来，目前采用单一UHMWPE纤维制备树脂基复合材料结构件比较少。当今应用极广的高性能树脂基结构复合材料通常采用碳纤维增强，在体育器材、建筑结构、汽车零部件、航空航天领域均有众多应用。碳纤维刚度大，抗弯曲和压缩，但相对韧性较差，抗冲击性能不足，与UHMWPE纤维相比，碳纤维密度较大，制备的复合材料相对较重；UHMWPE纤维抗冲击能量吸收高，韧性好，质量轻，恰好可以弥补其不足。国际和国内一些学者对两种纤维混杂增强性能进行了一些研究。
何芳等[140]将UHMWPE纤维和碳纤维依照不同混杂比例在纤维束内混编，混编好的纤维束先后使用阳极氧化法和铬酸处理改性后编织成三维结构，与环氧树脂复合，热压固化成纤维总体积分数36%的复合材料。该纤维复合材料在弯曲性能和纵向剪切性能上并未体现出明显的混杂效应，在横向剪切性能上体现正向混杂效应。计算发现，随着UHMWPE纤维含量的提升，复合材料的纵向剪切强度不断下降，比强度出现先增后降的趋势，当UHMWPE/碳纤维的比例为3/4时达到最高，而纯碳纤维复合材料的比纵向剪切强度仅高于除UHMWPE纤维复合材料，低于其他三种比例的混杂复合材料。随着UHMWPE纤维的比例提升，复合材料的抗冲击性能提升，一次冲击后的弯曲强度保持率提高，压缩性能下降，与两种材料的自身特性相符。
UHMWPE纤维与碳纤维在纤维束内混编，可以得到综合力学性能较高的纤维束，与树脂结合后的增强复合材料具备较高的比强度和比模量，充分发挥两种纤维的优势，适合制备轻质的结构复合材料，对当前最常见的碳纤维结构复合材料进行减重。不过这种纤维束内混杂的方式相对较繁琐，更加常见的方法为直接使用短纤维以类似添加剂的方式对复合材料进行增强，或两种纤维分别与树脂复合，再进行层内、层间的混杂。仲越等[141]在碳纤维/环氧层合板中添加UHMWPE短纤维增韧，以期提高其抗冲击性能，减轻其使用中受到冲击时可能存在的安全隐患。方法为九层碳纤维单向布同向层叠，将长度为6 mm的UHMWPE短纤维均匀铺在层与层之间，使用VARTM工艺固化。在低速冲击试验下，两层、四层和六层UHMWPE短纤维增韧的复合材料最大载荷分别提高11.2%、42.9%和52.3%，抗冲击强度不断提高，但受冲击时的稳定性逐渐降低且相同冲击能量下的剩余强度下降。这是由于UHMWPE短纤维与环氧树脂的界面结合性能较差，随着其比例的增加，复合材料的吸能方式逐渐变为分层破坏而非纤维断裂，在低速冲击下的载荷波动较大，且对于复合材料整体结构的破坏更加明显。不论何种添加方式，各方面测试的抗冲击性能均优于纯碳纤维复合材料，UHMWPE短纤维的添加可以有效提高碳纤维/环氧复合材料的抗冲击性能。Hu等[142]将碳纤维/UHMWPE纤维比例为2:1的层内混杂编织层合板与碳纤维层合板进行了比较，混杂后的层合板密度降低11%，拉伸、压缩和剪切强度模量均出现了小幅下降(下降幅度7.5%到26%不等)，断裂韧性提高123%，穿透能量提高71%，收到冲击后的损伤容限提高10.1%，且结构完整性保持较好。UHMWPE纤维的高韧性、高吸能可以有效降低碳纤维层合板受冲击时的开裂和分层，保持层合板结构的完整性，提高其整体的抗冲击性能及冲击后的二次、三次利用。
吕生华等[143]将两种纤维分别按照层内和层间的方式混杂并使用乙烯基酯树脂固化，研究发现层内混杂的复合材料弯曲强度和层间剪切强度比层间混杂的复合材料高1~1.5倍，随着UHMWPE纤维比例的提高，材料的抗冲击强度先急剧上升，后缓慢下降，而压缩强度持续下降。何洋等[144]的研究认为两纤维层间混杂的层间剪切强度更高，混杂效果更好。两者的结论不同原因不可知，但其认为因UHMWPE纤维和碳纤维的直径不同，层内混杂后的层叠方式有多种，故有序性差，而层间混杂的纤维排列更有序，有利于混杂后的性能；层间混杂时，碳纤维和UHMWPE纤维的直径差异越大，材料空隙越小，树脂在复合材料中的分布越均匀，混杂效果越好。因此猜测，导致两研究者结论不同的原因可能是前人的试验中选择了层叠方式最有序的层内混杂方式，或者两纤维直径差异较小、层间混杂效果相对较差的材料进行研究。
6. 总结与展望
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维具备极佳的化学试剂稳定性，耐光、耐氧化、耐腐蚀，优异的拉伸性能和抗冲击性能，是一种十分理想的高性能纤维，作为复合材料的增强纤维，是个体防护领域应用最多的高性能纤维，其低密度也十分适于制备超轻结构件，应用前景十分广阔。然而在生产工艺和与树脂基体复合方面，UHMWPE纤维仍存在一些不足，因此UHMWPE纤维的未来研究方向应主要集中在以下两方面：
(1) 在高端UHMWPE纤维的生产工艺上，国内与国外仍有一定差距，需要依赖进口。国内的不足主要在干法工艺上，因此未来国内的研究需要聚焦于干法工艺工业化生产的研究，优化具体工艺，探索原料选择、最佳拉伸温度、时间、倍率等工艺条件，以期生产更高性能的UHMWPE纤维；
(2) UHMWPE纤维性能主要的不足在抗蠕变性能、耐热性和表面粘结性能(与树脂复合的界面结合力)三方面。前两种不足限制了纤维在长时间拉伸环境和较高温度中的应用，当前对于UHMWPE纤维抗蠕变性能的改性方案已经较成熟，而受限于材料的分子结构，UHMWPE纤维的耐热性无法做到大幅提升，改性效果有限；唯有表面粘结性能有较大的提升空间，且该性能的不足大大限制了UHMWPE纤维在复合材料领域的应用，因此对于UHMWPE纤维表面粘结性能的改性研究是未来的研究重点。当前对UHMWPE纤维表面改性的研究众多，方法各有优劣，紫外辐射交联和化学试剂交联的方法综合效果最佳，但仍存在步骤较繁琐，难以工业连续化生产等弊端。未来的研究需要聚焦于改性效果更好、步骤更加简洁、更加适合工业化生产的改性方式，在不损失或较小损失UHMWPE纤维本身力学性能的前提下，提高其界面粘结性能，以提高复合材料整体的力学性能。
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图 2 单向(UD)布制备工艺原理示意图
Figure 2. Schematic diagram of preparation process principle of unidirection (UD) cloth
表 1 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与对位芳纶纤维(PPTA)、碳纤维和玻璃纤维的单丝性能对比
Table 1 Comparison of monofilament performance between ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber with para aramid fiber (PPTA), carbon fiber and glass fiber
UHMWPE fiber PPTA Carbon fiber Glass fiber Density/(g·cm−3) 0.97 1.44 1.80 2.55 Tensile strength/GPa 3.1 2.7 3.5 2.0 Tensile modulus/GPa 100 58 230 73 Elongation/% 3.5 3.7 1.5 2.0 Specific tensile strength/(GPa·(g·cm−3)−1) 3.20 1.88 1.94 1.38 Specific tensile modulus/(GPa·(g·cm−3)−1) 103.09 10.28 127.78 28.35 Static friction coefficient 0.187 0.385 0.470 — Dynamic friction coefficient 0.199 0.319 0.305 — Energy absorbed by specific impact/J 36.0 13.8 20.0 10.0 Hydrochloric acid resistance retention rate/% 100 40 — — Sulfuric acid resistance retention rate/% 100 70 — — Decomposition temperature/℃ 125 427 2800 550 
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表 2 常见的与UHMWPE纤维复合用树脂的优劣及应用领域
Table 2 Strength, limitation and application fields of common resin for composite with UHMWPE fiber
Resin Strength Limitation Application EP Mild and changeable curing conditions
High hardnessPoor adhesion with UHMWPE fiber
Inadequate toughnessStructrual composites VER Common advantages of EP
Good adhesion with UHMWPE fiberSlightly worse mechanical properties TPU Good impact resistance
Good energy absorption capacity
Environment friendlyPoor adhesion with UHMWPE fiber Military protection PE Good shock absorption effect Hard to process Plates and structural composites PCH Good shock absorption effect
Easy to process— Additives for other resins Notes: EP—Epoxy resin; VER—Vinyl ester resin; TPU—Thermoplastic polyurethane; PE—Poly ethylen; PCH—Hydrocarbon resin.
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表 3 不同表面改性方法的比较
Table 3 Comparison of different surface modification approaches
Surface modification method Strength Limitation Plasma treatment No loss of fiber mechanical properties Complex process, inconspicuous effect
Difficult to realize industrial continuous productionCorona discharge — Liquid oxidation Simple process, obvious effect Damage to the fiber mechanical properties,
environmental pollutionSurface coating No loss of fiber mechanical properties,
simple process, obvious effectHigh cost Adding coupling agent during
blending or extractionSimple process, obvious effect Damage to the fiber mechanical properties,
modified before UHMWPE fiber formingUV radiation grafting Simple process, obvious effect
Easy to realize industrial continuous productionLong modification time Chemical reagent grafting
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