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高性能纤维——Dyneema纤维专利技术布局（上）

2024-11-18 14:13

来源：中国化工信息中心

简介

Dyneema纤维，由荷兰帝斯曼公司（DSM）研发，是一种超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，以其超高强度和轻质特性，在多个高端领域中发挥着重要作用。本报告从产品基本特性、应用领域以及专利技术布局等方面阐述了Dyneema纤维的技术发展情况；探讨了Dyneema纤维领域整体战略布局，涵盖应用创新、纤维制造技术、复合材质的制备、纤维的功能化改进、原材料的制备工艺、染色技术以及质量监控和检测手段等多个关键领域，旨在为相关研究提供参考。

Dyneema纤维是帝斯曼研发的UHMWPE纤维，以其超高强度和轻质性而闻名。这种纤维的强度是同等重量钢材的15倍，且比芳纶纤维高出40%。Dyneema纤维还具有低伸长率、高模量和低密度等特性，这些优异的性能使其在多个高端领域得到广泛应用。例如，它被用于制造雷达天线罩、航母的拌索以及各类舰艇的结构材料等。这些应用不仅要求纤维具有高强度和低密度，还要求其具有良好的耐磨损性和化学稳定性。Dyneema纤维也被广泛应用于海洋工程、重型吊装、航空航天、商业捕鱼和运动休闲等行业。帝斯曼公司在过去二十多年中开发了40多个牌号的Dyneema产品，以满足不同行业的需求。

2022年9月1日，埃万特集团（Avient）完成了对帝斯曼旗下防护材料业务的收购，包括Dyneema^®品牌。此次交易完成后，相关业务已更名为埃万特防护材料，并成为埃万特特种工程材料事业部的一部分。目前，Dyneema纤维在全球同类产品市场中处于领先地位。

国内在UHMWPE纤维领域正积极攻克技术难题并扩大生产能力，其中同益中、江苏九九久等企业表现突出。尽管如此，国内市场的集中度较高，产品多集中在中低端市场，如医疗缝合材料、商业捕鱼和养殖网等，这导致国内技术水平与国际先进企业相比仍有一定差距。鉴于此，国内企业可通过深入分析行业龙头企业的专利技术布局，明确自身与国际标准之间的差异，并探索改进的途径，以在技术研发上实现突破。以下内容介绍了Dyneema纤维产品系列及其专利技术布局，揭示其在全球市场的领先地位和创新策略。

01. Dyneema纤维产品牌号及相关专利技术布局

表 1 用于提升、捆绑和索具的纤维产品

产品及牌号数据来自Dyneema纤维官网，专利数据检索自玄元平台http://petrochemical.areaip.cn/

重点专利概述

1. EP2012788217 Uhmwpe fiber 2012-11-21

该专利通过在UHMWPE纤维中有效嵌入光稳定剂（主要是胺类稳定剂，HAS），显著提高了纤维的抗紫外线和生物稳定性，同时保持了高机械性能。尽管传统方法在制造过程中会导致稳定剂的大量流失，本发明通过优化溶液配方和纺丝过程，实现了更高效的稳定剂嵌入，并且无需在加入HAS时重新调整工艺参数，从而简化了生产过程并提高了效率。使用分子量在450 g/mol以上的HAS，增强了其在溶剂中的溶解性，进一步提高了嵌入效率。该纤维在抗紫外线和生物降解环境中仍能保持高强度，测试表明某些样品在经过3000小时的紫外线照射后仍能保持80%的初始强度。此外，该新型纤维适用于绳索、渔线和网具、医疗器械等多个领域，特别是在医疗器械中，由于其高生物兼容性和低残留溶剂含量，在长期植入应用中表现优异。专利还提供了详细的测试方法和数据，包括固有粘度测量、抗拉强度测试和加速生物稳定性测试等，全面验证了纤维的优越性能。

2. CN201610630604 蠕变优化的UHMWPE纤维 2012-04-03

本发明涉及一种蠕变优化的UHMWPE纤维、其制备方法及其应用，包括绳索、网具、医疗器械、织物、复合材料和防弹制品。传统的UHMWPE纤维尽管在重量和强度方面表现出色，但其蠕变性能限制了其在长期负荷应用中的使用寿命。现有的研究多集中在降低蠕变速率，但效果有限。

本发明的创新点在于通过引入乙基和丁基分支，提高UHMWPE纤维的蠕变寿命，从而优化其长期负荷下的生存性。实验表明，本发明的纤维在70℃、600MPa负荷下的蠕变寿命至少为90小时，并且在高负荷和高温条件下具有优异的拉伸性能。采用凝胶纺丝工艺制备的纤维具有优异的机械性能和蠕变特性，适用于需要长期和超长期负荷的应用场景，如海上系泊和医疗器械。

通过优化UHMWPE的分子结构和制备工艺，本发明的纤维在不增加设计复杂度的情况下显著提高了使用寿命，展现了更好的工程应用价值。测试数据显示，本发明的纤维不仅具有更长的蠕变寿命，还表现出较低的断裂伸长率，进一步提升了其在实际应用中的可靠性和稳定性。

3.PCT/EP2013/071052 Offshore drilling or production vessel 2013-10-09

本发明涉及一种优化离岸钻井船或生产船的系泊系统，该系统包括平台和与之相连的系泊系统。系泊系统由连接有绞车滚筒的支撑框架和用于将平台固定在海底的系泊绳组成。系泊绳包括第一部分和第二部分，其中第一部分由绞车滚筒拖拉和放出，第二部分锚定在海底。关键创新在于使用高强度聚烯烃纤维制成的单一长度系泊绳，其中第一部分的单位长度质量(M1)大于第二部分(M2)，通过锥形部分实现连续过渡。

这种设计使得本发明的离岸船对风、波浪和水流影响具有良好的动态响应，便于检查和维护。单一长度的系泊绳避免了传统组件式系泊绳的复杂性，显著提高了操作的安全性和稳定性。特别地，系泊绳第一部分具有更高的单位长度质量，适用于高于水线的高温环境，而第二部分则适用于低于水线的冷水环境。通过优化聚烯烃纤维的使用，本发明的系泊绳在高负荷和高温下表现出优异的蠕变性能和拉伸性能，适合长期和超长期的重载操作，如海上石油钻井平台和生产平台的系泊。

4. US12/523920 Chain comprising a plurality of interco-nnected links 2007-10-30

该专利涉及一种适用于系泊或锚定船只、捆绑公路、铁路、水运和空运货物或用于输送、提升、悬挂或起重应用的链条，该链条包含多个互连链环。具体来说，本发明涉及包含多个互连链环的链条，其中至少部分链环由聚烯烃多股纱线制成。本发明还涉及增强此类链条强度的方法。

传统链条在各种环境和条件下需要能够传递力而不受到影响，例如破裂、磨损或损坏。然而，现有的链条在动态负载条件下表现出服务寿命有限的问题。本发明旨在提供一种能够很好地传递力并且比现有技术更耐用的链条。通过在链环中使用聚烯烃多股纱线，特别是UHMWPE多股纱线，本发明的链条在动态负载条件下表现出比现有技术更长的使用寿命。

具体而言，本发明的链条在动态负载条件下具有意外的高强度和耐用性，并且耐损伤。此外，本发明的链条在保持强度方面比现有技术有显著改善，特别是在疲劳和摩擦引起的局部热量积累情况下。本发明链条的静态强度至少为1 kN，优选至少5 kN，甚至更高至100 kN或更高。UHMWPE多股纱线的抗拉强度至少为1.2 GPa，优选至少3 GPa，最高可达5 GPa，抗拉模量至少为40 GPa，优选至少60 GPa，最高可达80 GPa。

实验结果表明，本发明基于UHMWPE纤维的链条在强度和耐磨性方面明显优于基于芳香族聚酰胺纤维的链条。在动态负载条件下，本发明的链条耐用性显著提高，湿态和干态下的疲劳寿命均有大幅度延长。综上所述，本发明提供了一种在各种应用中表现出卓越性能的链条，尤其适用于需要高强度和耐久性的重载应用。

5.PCT/EP2017/074199 Uhmwpe fiber, yarn and articles thereof 2017-09-25

本专利的技术创新点在于改进的UHMWPE纤维，这些纤维包含短链分支（SCB）和碳黑，显著提升了其抗蠕变性能。纤维的特性粘度至少为4 dL/g，每1000个碳原子包含0.3个以上的短链分支，并且含有0.1至10重量份的碳黑，这不仅提高了纤维在长期热老化后的蠕变寿命，还优化了蠕变速率。即使在100°C、672小时热处理后，这些纤维仍保持优异的拉伸强度和弹性模量，蠕变寿命保持在80%以上，甚至在某些情况下表现出更长的蠕变寿命。

此外，这些纤维通过凝胶纺丝方法制造，包括将UHMWPE、碳黑和溶剂混合，挤出形成纤维，并通过特定的拉伸比进行拉伸。最终纤维表现出高拉伸强度（至少35 cN/dtex）、高弹性模量（至少1250 cN/dtex）、低蠕变速率（低于1 x 10^-7s^-1）和长蠕变寿命（超过200小时在600 MPa和70°C条件下）。这些改进使UHMWPE纤维适用于各种应用，包括建筑纺织品、绳索、渔网、医疗器械、防护服、复合材料增强等，满足长期重负荷应用的需求。

6. PCT/EP2016/061972 2016-05-27 Hybrid chain link

该专利的技术创新在于开发了一种新型凝胶纺丝UHMWPE纤维，通过在纤维中添加0.1到10重量百分比的受阻胺稳定剂（HAS），显著提高了纤维的紫外线（UV）稳定性和生物稳定性。这种纤维展现出至少1.5 N/tex的高拉伸强度，并且可以承受高达3000小时的UV光照射而保持至少80%的原始拉伸强度。

专利中的凝胶纺丝工艺特别优化了稳定剂的整合，确保在生产过程中大部分稳定剂得以保留在纤维中，同时保持了纤维的高性能特性，如高强度和高模量。此外，该工艺还实现了低残留溶剂含量，通常低于500x10^-6，更优选低于100x10^-6，这对于纤维的生物相容性至关重要。

表 2 用于切割防护的纤维产品

重点专利概述

1. EP2007725649 Cut Resistant Yarn 2007-05-30

本发明涉及一种含有至少一种单纱的防切割纱线，其中单纱包含高性能长丝和/或高性能短纤维。本发明还涉及包含该防切割纱线的防护服及其生产工艺。现有的防切割纱线和包含这些纱线的服装在一定程度上已知，但仍存在提高舒适度的空间。本发明旨在提供一种具有更高舒适度的防切割纱线，从而提升穿戴者在长时间工作中的舒适感。

本发明的防切割纱线通过在单纱中引入至少15%的自由体积来实现这一目标。自由体积是指单纱中未被长丝、短纤维或其他成分占据的空间，而是被空气占据。因此，单纱的密度低于公式C.∑φxδx，其中φx是第x种长丝或短纤维的体积分数，δx是其密度，C=0.85。通过在生产过程中采取特殊措施来获得更高的自由体积和更低的密度，防切割纱线在重量单位长度上与现有纱线相当，但具有更大的体积。

这种防切割纱线不仅提高了穿戴舒适度，还具有更好的切割阻力和更长的使用寿命。防切割纱线可以包含高性能长丝和/或高性能短纤维，并且可以与金属丝或玻璃纤维结合，以增加纱线的强度和耐用性。高性能纤维的例子包括超高分子量聚烯烃纤维和芳纶纤维，优选使用超高分子量聚乙烯纤维，这些纤维通过凝胶纺丝工艺制备，具有优异的机械性能和舒适度。

2. CN200780038875.9 耐切割纱线、制造该纱线的方法以及含有该纱线的产品 2007-09-06

本专利的技术创新点在于开发了一种含有高性能纤维和硬质组分的耐切割纱线。该纱线包括丝线和/或定长纤维，硬质组分由平均直径不超过25微米的多条硬质纤维组成，这些纤维的长径比至少为3，优选至少为6或10以上。高性能纤维如UHMWPE、芳纶或聚苯并噁唑通过凝胶纺丝技术制成，并与具有高莫氏硬度（至少2.5，优选至少4，最优选至少6）的硬质纤维混合。该纱线在提高耐切割性的同时，保持了良好的柔软性和穿着舒适性，适用于保护在肉类、金属和木材工业中工作的人们免于割伤，甚至适用于防刀刺和冰锥刺的防护产品。

本发明提供了一种新型的纱线制造方法，包括将聚合物粉末或颗粒与多根硬质纤维混合后进行熔融或溶解，通过凝胶纺丝技术将混合物纺成纱线。这种工艺确保纱线具有高耐切割性和良好的机械性能。相较于现有技术，本发明的纱线表现出更高的耐切割性，测试中耐切割性能提高至少20%，优选至少50%，甚至100%或更高。

此外，本专利的耐切割纱线不仅适用于传统的防护服装如手套、围裙，还适用于需要防刺穿性能的应用场合，如警察的防护衣。通过这些创新点，本发明的耐切割纱线克服了现有技术中的许多问题，如机械性能不稳定、制造复杂性高和穿着舒适性差等，提供了一种高性能、易于生产且适用范围广泛的耐切割纤维产品。

3. EP2009769228 Cut resistant fabric 2009-06-23

本发明涉及一种耐切割织物，该织物包含部分涂覆有含氟聚合物护套的UHMWPE纤维，所述护套的厚度至少为10纳米。这种涂层技术不同于现有技术，它将含氟聚合物（如聚四氟乙烯PTFE）直接涂覆在单根UHMWPE纤维上，而不是涂覆整个纱线。每根纤维的表面至少50%被护套覆盖，优选75%，更优选100%覆盖，涂层厚度范围为10纳米至20微米。这一创新提高了织物的耐切割性能，同时保持纤维的柔韧性，使织物更加舒适和适用于长期穿着的防护服。

该发明还展示了一种生产耐切割织物的方法，包括通过含有氟聚合物的水性分散液涂覆UHMWPE纤维，然后干燥纤维形成固体护套，并用这些纤维制成织物。涂覆成分的用量基于纤维质量的0.1%~10%，优选0.5%~7%，最优选0.8%~4%。这种方法使得纤维在交叉点处能够相对自由地枢转，显著增加了织物的柔韧性和舒适性，同时提供高水平的耐切割性。

实验结果显示，涂覆有PTFE护套的UHMWPE纤维织物在ASTM F-1790测试中表现出显著提高的耐切割性，相对于未涂覆纤维的织物，切割力提升明显。因此，该创新织物不仅能够以较小的单位面积重量或较小的厚度提供同等甚至更高的耐切割性，还具有更好的柔韧性和穿着舒适性，适用于包括手套、围裙和其他防护服在内的各种应用。

4.EP2009764488 Thermoregulating, Cut-resistant Yarn and Fabric 2009-11-26

本发明涉及一种包含耐切割纤维和排湿纤维的纱线，以及由该纱线制成的织物。现有技术中的耐切割纱线例如由聚乙烯、芳纶或玻璃、金属等无机材料制成。然而，仅由耐切割纤维制成的织物在传热和温度调节方面表现有限，特别是在高温和潮湿环境中，易被汗水浸湿并粘附在皮肤上，导致穿着不适。为了解决这些问题，本发明提供了一种同时具备耐切割性和改进的传热及温度调节特性的纱线和织物。

该发明的创新点在于，纱线由耐切割纤维和排湿纤维组成，两者均为定长纤维。与已知纱线不同，本发明的纱线在传热和温度调节方面表现出显著提升，同时保持了优异的耐切割性。优选的耐切割纤维包括UHMWPE纤维，如Dyneema^®SK 75，而排湿纤维则包括具有非圆形截面和多个纵向通道的聚酯纤维，如Dacron^® Coolmax^®。本发明的纱线和织物不仅易于制造，而且成本低廉，适用于各种运动相关的防护服装，特别是在高温和潮湿环境中需要高强度活动的场合。

此外，本发明的织物可以通过简单的单层结构实现优异的耐切割和传热性能，而无需复杂的多层结构。通过混合耐切割纤维和排湿纤维，本发明的纱线和织物在保温、吸湿排汗和舒适性方面都表现出显著优势，尤其适用于运动服装和防护设备，如滑冰服、滑雪服、摩托车服等。

5. SI201130566 Cut Resistant Article 2011-04-07

本发明涉及一种含有耐切割涂层的制品，该涂层包含聚合物基体和分布于其中的耐切割成分。还涉及一种提高制品耐切割性的方法以及适用于涂覆制品的液体组合物。现有技术中已知如US 6,080,474公开的聚合物制品（如防护服装，尤其是手套）采用含有弹性体和硬填料的耐切割涂层，提升了耐切割性。然而，在遇到较大切割力时，现有的这些制品的耐切割性仍显不足。

本发明的目的是提供具有至少与已知含有耐切割涂层的制品相同的耐切割性的涂层制品，同时在较大切割力下具有更高的耐切割性。该发明公开了一种含有织物和涂层的制品，其中耐切割涂层包含聚合物基体和分布于其中的耐切割成分，耐切割成分是一种纤维，体积含量为聚合物基体的1-90%，且其平均长度与平均直径之比（L/D）至少为10，平均直径在5到50微米之间。

该发明的制品显示出良好的耐切割性能，能有效抵抗较大切割力，适用于玻璃和钢铁工业等需要较高耐切割性能的应用。耐切割涂层优选包含弹性体聚合物，如聚氨酯、聚氯乙烯和硅橡胶，涂层厚度在0.1至1毫米之间。

6.PCT/EP2017/074199 UHMWPE Fiber, Yarn and Articles Thereof 2017-09-25

本专利提出了一种创新的凝胶纺丝UHMWPE纤维，通过引入至少0.3个短链支链（SCB）每千个总碳原子，并添加0.1到10重量百分比的碳黑，显著提升了纤维的蠕变性能。这种纤维在保持高强度和模量的同时，实现了更低的蠕变率（CR）和更长的蠕变寿命（CLT），特别适合于长期承载的应用场景，如绳索、网、医疗设备等。

专利中的UHMWPE纤维通过特定的热处理工艺进一步优化了蠕变性能，即使在100°C下经过672小时的热老化处理，也能保持或提高其蠕变寿命。此外，通过精确控制碳黑的粒径和比表面积，确保了纤维在加工过程中的可纺性和最终产品的机械性能。

本专利的UHMWPE纤维在长期高温环境下展现出卓越的耐久性，通过实验室测试验证了其性能，包括固有粘度（IV）的测定、拉伸强度和模量的评估、短链支链含量的定量分析，以及蠕变性能的详细测量。这些特性使得新型纤维适用于各种高性能应用，显著提高了产品的可靠性和安全性。

7. PCT/EP2018/085484 Method to Produce a High Performance Polyethylene Fibers Composite Fabric 2018-12-18

这项专利介绍了一种创新的制造方法，用于生产含超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的高性能复合材料，特别适用于制作具有低吸水性和优良电磁性能的雷达罩。该复合材料通过一种特殊的工艺制造，包括将HPPE纤维组装成多轴向结构，随后在其上应用聚合物材料的悬浮液或溶液，并通过干燥、熔融、压实等步骤制成。复合材料中的聚合物材料选自乙烯和丙烯的均聚物和共聚物，这些材料具有特定的密度（875到970 kg/m³）、熔点（40到140°C）和热融合能力（至少5 J/g）。关键的技术细节包括，复合材料在湿润环境下的水含量被控制在5.9 wt%以下，且在3.9至72 GHz的频率范围内具有较低的介电常数和损耗切线值，从而保证电磁性能。

专利的另一创新点是在制造过程中应用了压缩处理步骤，这不仅降低了复合材料的吸水性，还提高了其整体性能。此外，该复合材料的制作工艺具有良好的可扩展性，可以根据不同的应用需求调整材料和工艺参数，使其适用于建筑结构、充气结构、保护结构等多种应用领域。

这项专利通过精细调控材料选择和工艺流程，实现了一种具有低吸水性、优异电磁性能和高机械强度的UHMWPE纤维增强复合材料，显著提升了其在严苛环境条件下的可靠性和耐用性，为高性能应用领域提供了一种新型材料解决方案。

表 3 复合面料用于户外装备

重点专利概述

1. PCT/EP2017/084211 Multilayer composite material and method for manufacturing 2017-12-21

这项专利介绍了一种创新的多层复合面料，特别适用于户外装备和防弹毯等。该面料由天然或人造皮革层与至少一层单向人造纤维层（monolayer）组成，每层纤维都与基体材料相结合，提供了优异的强度-重量比和耐久性。通过精细调控纤维密度和基体材料刚度，实现了更低的厚度和增强的耐用性。此外，面料的外层皮革不仅提供了美观和质感，还通过特殊的压花处理增加了额外的纹理和外观定制性。

制造方法包括在特定压力和温度下压缩组装层，可能还包括使用可移除的覆盖层来压印图案或纹理，从而在面料的外层上实现定制化的外观效果。面料中的纤维材料可以是各种高性能纤维，如超UHMWPE纤维，具有至少3 GPa的拉伸强度。基体材料的选择多样，包括聚丙烯酸盐、聚氨酯等，可以根据需求调整其刚度。此外，该面料还可以结合防水/透气膜，增强其在户外环境中的适应性。

该专利的多层复合面料适合制作鞋类、运动服装、行李、皮革制品等户外装备，特别是在需要轻薄、高强度和耐久性的应用中表现出色。通过精确的材料选择和工艺控制，该面料在提供保护的同时，也保证了穿着的舒适性和产品的美观性。

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