UHMWPE-Fasermarkt, Anwendungen und Technologieentwicklung

1. UHMWPE-Marktgröße und Verbrauchsbereiche

2. Große UHMWPE-Hersteller

3. Entwicklungstrends und Vorschläge für die UHMWPE-Faserindustrie

3.1 Entwicklung umweltfreundlicherer Produktionsprozesse
Das bestehende Nassverfahren des UHMWPE-Faser-Gel-Spinnen-Super-Streckens verbraucht während der Produktion eine große Menge Lösungsmittel und Extraktionsmittel. Zur Herstellung von 1 Tonne Produkt werden 10–15 Tonnen Lösungsmittel und anschließend 30–45 Tonnen Extraktionsmittel benötigt, um das Lösungsmittel zu ersetzen. Aus Umwelt- und Kostengründen muss gleichzeitig ein Lösungsmittel- und Extraktionsmittel-Recyclingsystem implementiert werden, um die Effizienz der Materialnutzung zu verbessern und Schadstoffemissionen zu reduzieren. Den in den Berichten zur Umweltverträglichkeitsprüfung mehrerer UHMWPE-Faserprojekte veröffentlichten Daten zufolge beträgt der tatsächliche Verbrauch an Extraktionsmittel für die Herstellung einer Tonne UHMWPE-Faserprodukt etwa 0,031 bis 0,264 Tonnen und der Verbrauch an Weißöl etwa 0,06 bis 0,232 Tonnen. Im Gegensatz dazu benötigt das Trockenverfahren kein Extraktionsmittel und der Verbrauch des Lösungsmittels Decahydronaphthalin beträgt etwa 0,04–0,075 Tonnen. Dichlormethan und Tetrachlorethylen, häufig verwendete Extraktionsmittel in der Nassprozesstechnologie, sind sowohl giftige als auch gefährliche und streng kontrollierte Schadstoffe. Beide sind in der „Priority Controlled Chemicals List (First Batch)“, der „List of Toxic and Hazardous Air Pollutants (2018)“ und der „List of Toxic and Hazardous Water Pollutants (First Batch)“ aufgeführt. Angesichts der immer strengeren Umwelt- und Sicherheitsmanagementrichtlinien in meinem Land muss die Nassprozesstechnik dringend Alternativen zu Extraktionsmitteln finden, die weniger toxisch, weniger schädlich oder sogar ungiftig sind. In den letzten zwei Jahren haben Forscher neuartige Extraktionsmittel auf Basis ionischer Flüssigkeiten zur Entfernung von Lösungsmittelweißöl aus der Produktion von Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht vorgeschlagen.



3.2 Entwicklung modifizierter UHMWPE-Fasersorten
Obwohl UHMWPE-Fasern hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen, weisen sie Mängel bei der Hitzebeständigkeit, Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit auf. Darüber hinaus weisen UHMWPE-Fasern aufgrund der geringen Oberflächenenergie und des Mangels an polaren Gruppen schlechte Oberflächenverarbeitungseigenschaften auf, die sich vor allem in einer schlechten Haftung zwischen der Faser und der Harzmatrix, einer unzureichenden Grenzflächenbindung und einer Anfälligkeit für Grenzflächenbruch und -ablösung unter Belastung äußern, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials führt. Daher sind spezifische Modifizierungsbehandlungen für UHMWPE-Fasern von großer Bedeutung für die weitere Erweiterung ihres Anwendungsbereichs und die Förderung der Produktveredelung und haben sich zu einem der aktuellen Themen in der Industrieforschung entwickelt. Zur Modifizierung der Hitzebeständigkeit und Kriechfestigkeit besteht die übliche Methode darin, anorganische Partikel oder Haftvermittler in das UHMWPE-Rohmaterial einzumischen, was sowohl die Hitzebeständigkeit als auch die Kriechfestigkeit verbessert und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften der Faser verbessert. Um die unzureichende Oberflächenhaftung von UHMWPE-Fasern zu beheben, umfassen gängige Modifikationsmethoden Plasmamodifikation, Oxidationsbehandlung, Vernetzung durch ultraviolette Strahlung und Vernetzung mit chemischen Reagenzien. Ziel ist es, aktive Gruppen einzuführen oder die Rauheit der Faseroberfläche zu erhöhen.

3.2.1 Lösungsgefärbte UHMWPE-Fasern
Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften werden UHMWPE-Fasern häufig in wichtigen Bereichen wie der Landesverteidigungstechnik, der Militärtechnik, der Luft- und Raumfahrt sowie im medizinischen Schutz eingesetzt. Da den makromolekularen Ketten von UHMWPE-Fasern jedoch andere funktionelle Gruppen als kovalente Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen fehlen, ist es für allgemeine Farbstoffmoleküle schwierig, sich zum Färben an sie zu binden. Die Unpolarität und Regelmäßigkeit seiner Moleküle erschwert das Eindringen von Farbstoffmolekülen, was zu Schwierigkeiten beim Färben der Fasern führt. Daher verfügen die Produkte über begrenzte Farboptionen, was die Anwendungsbereiche einschränkt. Um das Problem des schwierigen Färbens von Hochleistungsfasern zu lösen, wurden Lösungsfärbetechnologie, Trägerfärben, Färben mit nichtwässrigen Lösungsmitteln und Färben mit Faseroberflächenmodifikation vorgeschlagen. Unter diesen beziehen sich lösungsgefärbte Fasern auf gefärbte Fasern, die durch Zugabe von Farbstoffen zur Spinnlösung oder -schmelze und anschließendes Spinnen erhalten werden; Sie werden auch als ungefärbte Fasern oder vorspinngefärbte Fasern bezeichnet. Im Vergleich zu herkömmlichen Färbetechniken bietet die Lösungsfärbetechnik Vorteile wie Energieeinsparung und Umweltschutz, hohe Farbechtheit, vereinfachten Prozessablauf und niedrige Produktionskosten, was sie zur am weitesten verbreiteten Färbemethode für UHMWPE-Fasern macht. Obwohl es einigen inländischen Unternehmen gelungen ist, lösungsgefärbte UHMWPE-Fasern in großem Maßstab herzustellen, stehen sie immer noch vor Problemen wie verminderten mechanischen Eigenschaften, instabiler Produktion und Schwierigkeiten bei der Farbanpassung. Daher erfordern spinndüsengefärbte UHMWPE-Fasern noch weitere eingehende Forschung und Entwicklung.

3.2.2 Kriechfestigkeit von UHMWPE-Fasern
UHMWPE-Fasern haben eine schlechte Kriechfestigkeit; Das heißt, bei einer bestimmten Temperatur und konstanter äußerer Kraft nimmt die Dehnung der UHMWPE-Fasern mit der Zeit allmählich zu. Aufgrund dieser Eigenschaft ist die Dimensions- und morphologische Stabilität von UHMWPE-Fasern schlecht, was ihre Anwendung in Verbundwerkstoffen, Seilen und anderen Bereichen stark beeinträchtigt. Kriechversagen ist derzeit ein dringend zu lösendes Problem bei der Anwendung von UHMWPE-Faserseilen.

Die Kriecheigenschaften von UHMWPE-Fasern hängen eng mit ihrer molekularen Struktur zusammen. Im Allgemeinen hängen die Kriecheigenschaften von Fasern mit der Größe der makromolekularen Ketten, dem Vorhandensein polarer Gruppen in den Makromolekülen und dem Vorhandensein polarer Wechselwirkungen zwischen Molekülen zusammen. Aufgrund der einfachen Molekülstruktur von UHMWPE und des Fehlens von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen sowie der Tatsache, dass es sich bei den Van-der-Waals-Kräften nur um Dispersionskräfte handelt, sind seine intermolekularen Kräfte relativ schwach, was es anfällig für intermolekulares Verrutschen und Kriechen macht.

Bei der Forschung zu kriechfesten UHMWPE-Fasern wurden verschiedene Methoden zur Verbesserung ihrer Leistung untersucht, wobei die Einführung von Vernetzungsgruppen am häufigsten untersucht wurde. Forscher vernetzten UHMWPE/CNTs-Verbundfasern mithilfe ultravioletter Strahlung in einem photochemischen Reaktor. Wenn die UV-Bestrahlungszeit 8 Minuten betrug und der Massenanteil der Vernetzungslösung 20 % betrug, war die Kriechfestigkeit besser, mit einer Reduzierung des Kriechens um 19,68 % im Vergleich zu unvernetzten Fasern. Darüber hinaus haben Forscher während des Extraktionsprozesses von UHMWPE-Gelfasern Benzoylperoxid (BPO) und Vinyltrimethoxysilan (VTMS) als Initiatoren bzw. Pfropfmodifikatoren verwendet, um eine Silanvernetzungsmodifikation durchzuführen. Die hergestellten modifizierten UHMWPE-Fasern zeigten eine deutlich verbesserte Kriechfestigkeit. Dies liegt daran, dass die Einführung von Silan-Haftvermittlern eine vernetzte Netzwerkstruktur innerhalb der Faser bilden kann, wodurch das Verrutschen zwischen Molekülketten eingeschränkt wird.

In anderen verwandten Studien wurden ein oder mehrere Monomere aus Butadien, Styrol, Methylacrylat und Triallylisocyanurat eingeführt, um Selbstpolymerisations- oder Vernetzungsreaktionen auszulösen und so mit den Polyethylen-Molekülketten eine halbdurchdringende Polymernetzwerkstruktur zu bilden. Dies erhöht die Verflechtungsdichte innerhalb der Polyethylenfaser, verringert das Verrutschen der Polyethylen-Molekülketten und verbessert so die Kriechfestigkeit von UHMWPE-Fasern.

3.2.3 Hochtemperaturbeständige UHMWPE-Fasern
Derzeit umfassen die Hauptmethoden zur Verbesserung der flammhemmenden Eigenschaften von UHMWPE-Fasern die Copolymerisation, das Mischen und das Pfropfen. Einige Forscher fügten beispielsweise mit Ölsäure modifizierte Magnesiumhydroxid-Nanopartikel zu UHMWPE hinzu, was zu durch Trockengelspinnen hergestellten Nanokomposit-UHMWPE-Fasern führte, die eine verringerte Entflammbarkeit aufwiesen und die anfängliche Zersetzungstemperatur um 30 °C erhöhten. Andere verwendeten mit Magnesiumhydroxid beschichtete Kohlenstoffmikrokügelchen als Flammschutzmittel mit Tetrabutyltitanat und Triphenylphosphit als Aktivatoren, um flammhemmende UHMWPE-Fasern über ein Pad-Bake-Verfahren herzustellen und erreichten einen Grenzsauerstoffindex von 23,8 %, 36 % höher als bei reinen UHMWPE-Fasern. Darüber hinaus wurde ein flammhemmendes Stickstoff-Phosphor-Aufschlämmungssystem durch Compoundieren von Melamincyanurat mit Aluminiumdiethylphosphonat formuliert und mit einem Mischspinnverfahren halogenfreie flammhemmende Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht (PE-UHMW) hergestellt, wodurch ein Grenzsauerstoffindex von 27,5 % erreicht und eine gewisse flammhemmende Wirkung nachgewiesen wurde. Mit zunehmendem Flammschutzmittelgehalt nahmen jedoch die mechanischen Eigenschaften der Fasern teilweise ab. Diese Studien zeigen, dass die Hitzebeständigkeit von UHMWPE-Fasern durch verschiedene Methoden verbessert werden kann, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um andere Leistungseinschränkungen zu überwinden.


3.2.4 Hochfeste UHMWPE-Fasern
Derzeit erreicht die Zugfestigkeit hochwertiger UHMWPE-Faserprodukte über 40 cN/dtex, was jedoch nur etwa 8 % der theoretischen Festigkeit entspricht. Daher erforschen Forscher aktiv verschiedene Modifizierungsmethoden, um die mechanischen Eigenschaften der Fasern zu verbessern. Studien haben gezeigt, dass UHMWPE-Fasern mit einem Massenanteil von 5 % mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren (MWNTs) eine Zugfestigkeit von 4,3 GPa haben, was 18,8 % bzw. 15,4 % höher ist als bei reinen UHMWPE-Fasern. Dies liegt hauptsächlich daran, dass sich die MWNTs bei hohen Streckverhältnissen entlang der Streckrichtung ausrichten. Diese Ausrichtung bewirkt eine starke Grenzflächenlastübertragung sowohl bei kleinen als auch bei großen Belastungen und verbessert dadurch die Steifigkeit und Zugfestigkeit der Verbundfaser. Darüber hinaus erhöhte sich während der Gelfaserextraktionsphase der mechanische Modul von UHMWPE-Fasern mit der Zugabe von 1 % Nano-Siliciumdioxid (SiO2) um etwa 10 %, vermutlich weil die Nano-SiO2-Partikel als Vernetzungspunkte innerhalb der Faser fungieren. Forscher fanden heraus, dass UHMWPE-Fasern, die mit 20 % Olivenöl als gemischtem Lösungsmittel hergestellt wurden, eine deutlich stärkere Entwirrung der Molekülketten und eine höhere Beibehaltung des Molekulargewichts aufwiesen. Im Vergleich zu UHMWPE-Fasern, die nur mit Decahydronaphthalin hergestellt wurden, zeigten diese Fasern eine Steigerung der Zugfestigkeit (33,85 cN/dtex) und des Zugmoduls (1673,27 cN/dtex), was einer Steigerung von 24,0 % bzw. 32,3 % entspricht. Darüber hinaus wurden Schmelzpunkt, Kristallinität und Orientierung der UHMWPE-Fasern deutlich verbessert.

3.3 Kontinuierliche Reduzierung des Produktenergieverbrauchs
Die Herstellung von UHMWPE-Fasern erfordert erhebliche Energieressourcen wie Strom und Dampf. Darüber hinaus sind die Maschinen und Geräte groß dimensioniert, was zu hohen Abschreibungskosten führt. Energie- und Herstellungskosten können etwa 50 % der Gesamtkosten ausmachen. Bestehende Hersteller weisen aufgrund unterschiedlicher spezifischer Prozesse und technologischer Niveaus erhebliche Unterschiede im Energie- und Stromverbrauch pro Einheit auf. Bei neuen Projekten in den letzten drei Jahren lag der Stromverbrauch zwischen 0,72 und 3,6 Millionen kWh/Tonne Faser, der Dampfverbrauch zwischen 8 und 24,6 Tonnen/Tonne Faser und der Gesamtenergieverbrauch zwischen 1,66 und 5,66 Tonnen Standardkohleäquivalent/Tonne Faser.

In den letzten Jahren hat China seine „Dual-Carbon“-Strategie aktiv und kontinuierlich vorangetrieben und die Maßnahmen zur Energieeinsparung und Kohlenstoffreduzierung kontinuierlich verstärkt. Darüber hinaus verbessert die Branche kontinuierlich ihre Prozesse und Technologien. Die Reduzierung des Energieverbrauchs und der Produktionskosten ist ein langfristiger Entwicklungstrend für die UHMWPE-Faserproduktionstechnologie. Unternehmen, die fortschrittliche Prozesse und Ausrüstung beherrschen, werden im künftigen harten Wettbewerb auf dem Markt einen entscheidenden Kostenvorteil haben.