超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料的最新应用与未来展望

引言

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种分子量在100万以上的高性能聚合物，因其独特的性质而被广泛应用于多个领域。这些性能包括高强度、高耐冲击性、高耐磨损性、自润滑性、耐化学腐蚀性以及耐低温性。UHMWPE的应用范围广泛，从航空航天、国防军工到市政建设、石油化工，乃至新能源材料等领域，它的使用正不断扩展。近年来，随着UHMWPE催化和聚合工艺技术的进步，这种材料的生产过程变得更加可控，产品质量得到了显著提升。这一进步不仅使得UHMWPE的加工能力得到改进和创新，还促使其在下游应用领域和数量上持续增长。UHMWPE可以被加工成各种制品，如纤维、薄膜、管材、板材、棒材、多孔材料和异型材料等，满足不同领域的需求。此外，UHMWPE材料不限于分子量在100万以上的范围。分子量低于100万的UHMWPE树脂和制品，虽然在分子量上有所不同，但在性能和加工方法上与高分子量的UHMWPE相似，同样包含在讨论范围内。此外，对UHMWPE进行物理或化学改性的树脂和下游制品，也是该领域研究和应用的重要部分。

综上所述，UHMWPE作为一种高性能材料，其独特的性质和不断进步的加工技术使其成为多个行业的首选材料。随着技术的不断发展和创新，UHMWPE的应用领域和数量预计将持续增长，进一步扩大其在现代工业和科学研究中的影响力。

1.超高分子量聚乙烯 （UHMWPE）催化聚合

1.1催化技术

用于UHMWPE聚合的催化剂按照不同的发展 阶段分为三类：Ziegler-Natta （Z-N） 催化剂、茂 金属催化剂和非茂过渡金属催化剂。

表 催化剂性能优缺点对比

1.2聚合技术

乙烯聚合主要有高压聚合、气相聚合、淤浆聚合与溶液聚合等工艺，目前生产UHMWPE树脂的工业装置大多采用淤浆聚合，淤浆工艺主要包括搅拌釜工艺与环管工艺。

表 主流聚合工艺比较

2. UHMWPE纤维生产工艺

UHMWPE 纤维是目前已工业化纤维材料中比强度和防弹性能最高的纤维。其纺丝工艺根据使用溶剂及脱除方式不同，可分为干法路线和湿法路线，目前国内外可生产不同旦数、纤维强度 17~43cN/dtex 的高、中、低端纤维产品。而随着树脂聚合技术及螺杆挤出技术的提升，科技人员对 UHMWPE 树脂的大分子链解缠能力获得提高，熔融纺丝技术用于制备中等以上强度（强度≥10cN/dtex） 的UHMWPE纤维受到越来越多的关注。

2.1干法工艺

干法路线以荷兰 DSM 公司为代表，生产的 Dyneema系列纤维针对不同的应用领域，力学性能 优良，产品质量稳定。据报道，Dyneema®SK99 纤维断裂强度可达到 43cN/dtex，比 SK78 高 15%~20%。

2.2湿法工艺

湿法路线是目前国内外纤维企业用得更多的一种工艺技术路线，最早是1985年由美国Honeywell公司购买 DSM 专利后进行产业化生产，推出的纤维牌号有 Spectra-HT、Spectra900、Spectra1000 等系列产品，其中 Spectra-HT 牌号断裂强度可达40cN/dtex。另外日本三井公司于 1988 年正式商业化生产 UHMWPE 纤维，牌号为 Tekmilon，产品重点放在作业手套、钓鱼线和缆绳市场。我国于 20世纪80年代开始相关研究，并于2000年左右实现产业化生产，目前国内湿法生产企业有同益中、爱地、九九久、中泰等十余家公司，可生产不同旦数、强度的军民用纤维产品，占全球产销量的60%以上，但以中低端产品为主，产品价格竞争激烈。

2.3熔融路线

熔融路线具有工艺简单、不需要大量溶剂、生产成本低等优势，备受国内外研究者及企业关注。据报道，日本东洋纺公司已于2008年成功研发高强防切割熔融纺聚乙烯纤维TsunoogaTM并实现工业化生产，目前东洋纺公司具有3条TsunoogaTM纤维生产线，总产能约 1500t/a。

图 熔融工艺路线

针对熔纺的研究主要集中在纺丝原料改性、纺丝工艺技术等方面。美国 Honeywell、北京化工大学、中国石化集团公司等机构先后公开了UHMWPE 与 HDPE 共混进行熔纺的研究报道，上海化工研究院有限公司运用新型的改性树脂，优化纺丝取向及拉伸工艺，实验室制备了熔纺纤维。

3.最新前沿应用

3.1Aluula Composites 开发循环利用的户外装备

轻质、强韧、耐用且可回收的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)织物使得 Arc’teryx 和 Durston 运动品牌的装备性能更高。

图片来源| Aluula Composites

户外品牌 Arc’teryx（加拿大北温哥华，BC）和 Durston（加拿大 Kimberley，BC），已与 Aluula Composites（维多利亚）联手，推出了针对极端山地环境的新型性能驱动、轻质且可回收的户外装备。

Aluula 与 Durston Gear 合作，开发了一款使用 Aluula 的 Graflyte V-98 聚合物材料制成的超轻型 Wapta 30 背包。该织物使用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）编织而成，虽然 UHMWPE 本身不是新材料，但 Aluula 表示，他们已创建了一种新的专利工艺，不需要像当前市场领先材料“Ultra”那样，向 UHMWPE 中添加聚酯薄膜。结果是一种轻质材料，具有高强度与重量比，Aluula 声称其强度是钢铁的八倍。

2023年，户外装备行业需求激增，销售额达到250亿美元。根据 Statista 最新数据，该行业预计将在2028年之前每年增长超过6%。

Aluula Composites 的材料已在恶劣的海洋条件下进行了实地测试，也已用于风筝冲浪和其他风力运动，如飞翼冲浪。公司指出，特别是 Graflyte，不需要缝合。它也可以热合到自身，这可以用于用单片织物创建3D结构。此外，该材料能够被回收，并且理论上可用于背包悬挂系统或其他行业的应用。

3.2食品包装袋升级

三明治袋、牛奶壶和其他由聚乙烯制成的塑料物品可能会以升级材料的形式获得新生。一种将这种流行聚合物的C-H键转化为C-N键的反应，现在能够作用于消费后材料，为新聚合物性质开辟了一条途径。“通过这种反应，你现在可以将所有不同类型的聚乙烯——低密度、高密度、高分子量、低分子量——进行转化，并通过形成C-N键在聚合物上放置各种基团，”加利福尼亚大学伯克利分校的化学教授John F. Hartwig表示，他领导了这个项目。通过改变添加到聚合物上的氮上的取代基，可以调整聚合物的属性，Hartwig实验室的研究生及论文第一作者Nicodemo Ciccia表示。“目标是开发一种单一方法，允许你获得一整套材料库，”他说。

这一反应是Hartwig实验室在2014年报告的工作的一个变体，在那项研究中，化学家们使用一种铜催化反应将小烷烃中的C-H键转化为C-N键。但将这种化学应用于聚乙烯并非易事。科学家们不得不重新考虑他们使用的配体。他们发现一个带有长的烷基侧链的配体效果最好（《科学》2023, DOI: 10.1126/science.adg6093）。

图 分子结构

虽然研究人员通过在溶剂中溶解聚乙烯来解决了大部分化学问题，但他们也在没有任何溶剂的情况下对融化的低密度聚乙烯进行了反应（展示）。“其中一个动机是将废弃塑料转化为更高价值的东西，”Hartwig说。但是化学家们不知道他们的反应是否能够容忍废弃塑料中的杂质、颜色、稳定剂和增塑剂。他们的实验表明，它可以。未参与此项工作的北卡罗来纳大学教堂山分校的聚合物化学专家Frank Leibfarth表示，这种反应是将酰胺附着到聚乙烯上的一种创造性方式。“这种方法将为聚合物科学家提供一个新工具，利用最丰富的塑料废料原料进行新材料的发现努力，这可能为实现更循环的塑料经济贡献一个重要部分，”

3.3长链聚乙烯（PE）聚合物的回收利用

由聚乙烯（白色纤维）制成的塑料，如图中展示的牛奶瓶，现在可以被分解成较小的分子——丙烯——这种分子对制造另一种塑料，即聚丙烯，具有重要价值。

（图形版权：布兰登·布鲁默，加州大学伯克利分校）

聚乙烯塑料——特别是破坏景观的无处不在的塑料袋——以难以回收著称。它们坚固且难以分解，如果它们被回收，通常会被熔化成一种主要用于甲板和其他低价值产品的聚合物混合物。

但加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）开发的一种新过程可能改变这一切。该过程使用催化剂将长的聚乙烯（PE）聚合物分解成均匀的块状——三碳分子丙烯——这些是制造其他类型高价值塑料，如聚丙烯的原料。

这个过程，虽然处于开发的早期阶段，将把一种废弃产品——不仅是塑料袋和包装，而且包括所有类型的PE塑料瓶——转变为高需求的主要产品。之前分解聚乙烯链的方法需要高温，并产生需求量较低的混合组分。新过程不仅可以减少化石燃料生产丙烯（常称为丙烷）的需求，而且还可以帮助填补塑料行业目前未满足的丙烯需求。

图 分子微观结构

“在它们被回收的程度上，许多聚乙烯塑料被转化为低等级材料。你不能拿一个塑料袋然后用相同的性质制造另一个塑料袋，”加州大学伯克利分校有机化学亨利·拉波波特讲座教授约翰·哈特维格说。“但如果你能将那个聚合物袋还原为其单体，将其分解成小块并重新聚合，那么你就不必从地下提取更多的碳，而是使用它作为你的碳源来制造其他东西——例如，聚丙烯。我们将用更少的页岩气来达到这个目的，或用于丙烯的其他用途，以填补所谓的丙烯缺口。”

聚乙烯塑料约占全球塑料市场的三分之一，每年从化石燃料（包括通过水力压裂获得的天然气，常称为页岩气）生产超过1亿吨。

尽管有回收计划——可回收的PE产品标有塑料编号2和4——但所有聚乙烯塑料产品中只有大约14%被回收。由于它们的稳定性，聚乙烯聚合物难以分解成它们的组成部分或解聚，所以大部分回收涉及将其熔化并塑造成其他产品，如庭院家具，或作为燃料燃烧。

4.市场动态

最新的国际新闻报道指出，高密度聚乙烯（HDPE）市场的主要参与者包括旭化成公司、Braskem S.A、雪佛龙菲利浦化学公司、陶氏化学公司、埃克森美孚公司、台塑企业、LyondellBasell工业、Borealis AG、中国石油天然气公司和阿布扎比聚合物公司等。2022年，全球高密度聚乙烯市场的价值为917.3亿美元，预计2023年将增长至1009.9亿美元，复合年增长率为10.1%。到2027年，市场预计将增长至1455亿美元，年复合增长率为9.6%。

此外，亚太地区是2022年高密度聚乙烯市场最大的区域市场，其次是北美。高密度聚乙烯因其灵活的性质而被广泛应用于医疗保健和实验室环境中，例如生产洗发水瓶、玩具、管道系统、回收箱、化学容器、牛奶壶、购物袋和麦片盒内衬等。

报道还指出，高密度聚乙烯管材因其无毒、耐腐蚀和化学品、寿命长等特性，被认为是环境可持续的。然而，聚丙烯（PP）等竞争性材料的使用对HDPE市场构成威胁，因为PP在需要透明包装的情况下通常是首选材料。此外，汽车行业对热塑性塑料的需求增加，推动了聚丙烯市场的增长，进一步影响HDPE市场。

5.展望

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）凭借其卓越的物理和化学性能，已成为航空航天、国防、新能源等行业的重要材料。近年来，催化聚合技术的进步显著提高了UHMWPE的生产效率和产品质量，拓宽了其应用范围。特别是在户外装备、食品包装，以及塑料回收利用方面，UHMWPE显示出独特的优势。例如，通过改性UHMWPE，可以实现户外装备的轻质化和可回收性，同时，新型化学转化技术让UHMWPE在食品包装升级和长链聚乙烯的回收利用方面具有潜在应用。展望未来，随着科技的持续创新和环保要求的提升，UHMWPE的改性与应用技术将进一步发展，使其在高性能材料领域占据更为重要的地位。

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