UHMWPE纤维：第三代高性能纤维，性能优异、技术壁垒高
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，是继碳纤维、芳纶后第三代高性能纤维，是目前工业化高性能纤维中，比强度和比模量最高的纤维，性能优异，壁垒高。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是分子量在100万以上的聚乙烯树脂所纺出的纤维，其断裂伸长率高于碳纤维和芳纶，柔韧性好，在高应变率和低温下力学性能仍然良好，扛冲击性能优于碳纤维、芳纶等，是一种非常理想的防护材料。工业化生产成功至今近30年，基于制造技术、产品性能持续优化，下游应用领域持续开拓，当前具备供给缺口。
高性能纤维参数对比
资料来源：千禧龙纤招股说明书申报稿
注：模量越大表明纤维抵抗变形的能力越好，断裂伸长率越大表示其柔软性能和弹性越好，比模量和比强度分别指单位密度下的模量和强度
超高分子量聚乙烯纤维的主要原材料 UHMWPE 树脂是由乙烯聚合而成的白色粉末或颗粒，制备原料还包括溶剂（白油、十氢萘等）、萃取剂（碳氢清洗剂、二氯甲烷、二甲苯等）。UHMWPE 树脂制成粉末后通过溶胶纺丝工艺制成 UHMWPE 纤维，再将UHMWPE 纤维织成 UD 布、织物增强复合材料等中间品，用于制造防弹、防护产品等。
UHMWPE纤维产业链
资料来源：同益中
UHMWPE树脂由乙烯原料合成，主要壁垒在于催化剂。近年来UHMWPE催化、聚合工艺的提升带动产品质量提升和应用领域拓展，其中催化剂的选择对于UHMWPE树脂的分子量、聚合物微观结构等具有直接影响，从而影响产品力学性能、冲击性能、拉伸强度、透明度等。目前主流催化剂有Z-N催化剂、茂金属催化剂和非茂过渡金属催化剂，其中Z-N催化剂具有制备简单、成本低、对杂质敏感性低等优点，是目前产业中占主导的催化剂，美国塞拉尼斯、日本三井石化、荷兰DSM、上海化工研究院等均使用Z-N催化剂。根据CNKI，Z-N催化剂存在结构不易调控、性能欠佳等不足，世界各大石油化学公司均投入人力物力在调控分子结构和提升性能等方面进行产品开发，从而进一步拓展UHMWPE的应用场景，目前已在实验室规模取得一定突破，但核心的负载化过程还未解决，距离批量应用还有一段距离。
不同类型催化剂性能对比
资料来源：CNKI
UHMWPE 纤维通过凝胶纺丝工艺制成，可以分为湿法和干法。纤维通过凝胶纺丝工艺制成，可以分为湿法和干法。干法工艺和湿法工艺分别利用高挥发性溶剂干法凝胶和低挥发性溶剂湿法凝胶纺丝。由于采用的溶剂特性不同，后续溶剂脱除工艺也完全不同，两种工艺各有优缺点，干法工艺速度快、流程简单，纺出的产品质量更优，但相对而言安全性低、对设备及回收系统的运行效率要求较高。全球龙头荷兰帝斯曼主要采用干法工艺制备 UHMWPE 纤维，目前国内产能以湿法工艺为主，九九久、同益中、千禧龙纤等均通过湿法工艺路线制备 UHMWPE 纤维，仅仪征化纤具备干法制备工艺。
超高分子聚乙烯制作工艺
资料来源：千禧龙纤招股说明书申报稿
干法凝胶纺丝所使用的溶剂一般为低沸点、高挥发性且对UHMWPE有较好溶解性的十氢萘。UHMWPE和十氢萘在双螺杆挤出机中混炼成浓度不超过10%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UHMWPE纤维。干法凝胶纺丝工艺的技术难度大，对于回收系统的密闭要求高，但其优势主要在于：1）流程更短、生产效率高且成本更低；2）溶剂可直接回收、更利于环保；3）在其他条件相同的情况下，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；4）光泽好、手感柔软、溶剂残留低，适用于医用、家纺领域。海外荷兰DSM公司的Dyneema纤维和日本东洋纺的ICEMAX系列织物均由干法制成，分别用于医疗和家纺领域。
UHMWPE纤维干法纺丝工艺路径
资料来源：CNKI
湿法纺丝生产工艺采用沸点高、低挥发性的白油等为溶剂，将超高粉溶解在白油中制成纺丝原液，然后经纺丝组件挤出成流体丝条，再经水浴冷却后成冻胶丝条，冻胶丝条经萃取干燥脱溶剂形成未拉伸原丝，之后经过多道热拉伸制成成品纤维。湿法工艺技术技术难度以及对于设备的要求更低，目前国内大部分企业都采用湿法纺丝工艺，可生产不同旦数、强度的军民用纤维产品，但以中低端产品为主，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。
UHMWPE纤维湿法纺丝工艺路径
资料来源：CNKI
通过技术升级逐步解决抗蠕变、耐热性等难题。除原材料、凝胶纺丝工艺之外，在工艺流程中选择溶剂的浓度、温度、光线等不同的参数以及不同的萃取、拉伸工艺等都对 UHMWPE 纤维产成品的特性产生影响。因此在UHMWPE 纤维制备过程中，除了必要的原材料、机器设备和技术人员外，需要根据产品性能的需求对参数进行调试和磨合。
目前 UHMWPE 纤维行业普遍的痛点在于耐热性能和抗蠕变性能较差，导致其在高温或长时间拉伸的情景下无法使用。根据叶卓然等人的《超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的研究现状与分析》，可以通过添加改性剂、调整紫外线辐射等途径来改变UHMWPE 纤维表面的粘黏性，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。
