Teknologi gentian UHMWPE, trend pasaran, proses pengeluaran dan aplikasi utama dalam pertahanan, kejuruteraan marin dan perlindungan perindustrian.
1. Saiz Pasaran dan Kawasan Penggunaan UHMWPE
Gentian UHMWPE mempunyai pelbagai aplikasi hiliran, tetapi pada masa ini ia tertumpu dalam aplikasi industri penghalang yang agak tinggi seperti jaket kalis peluru dan topi keledar, tali dan kabel marin, dan sarung tangan tahan potong. Permintaan pasaran global untuk gentian UHMWPE dianggarkan pada 70,000-80,000 tan menjelang 2025, dengan purata kadar pertumbuhan tahunan kira-kira 12%, mengekalkan trend pertumbuhan yang stabil. Struktur penggunaan pasaran global mempamerkan ciri dwi-guna, dengan perlindungan kalis peluru (termasuk peralatan tentera dan polis dan perlindungan keselamatan awam) menyumbang kira-kira 52% daripada penggunaan, kekal sebagai permintaan terbesar. Aplikasi bukan pelindung telah meningkat kepada 48%, dengan kejuruteraan marin dan sukan dan masa lapang masing-masing menyumbang kira-kira 18% dan 12%, manakala aplikasi baru muncul seperti jahitan perubatan dan tetulang bilah turbin angin menyumbang 18%.
China kekal sebagai pengguna gentian UHMWPE terbesar di dunia, dengan permintaan diunjurkan pada 40,000-41,000 tan pada 2025. Struktur penggunaan masih didorong oleh tiga bidang teras: peralatan ketenteraan dan polis (36%), industri marin (32%) dan keselamatan dan perlindungan pekerjaan (23%). Industri marin mendapat manfaat daripada strategi "Kuasa Maritim", dengan pertumbuhan tahun ke tahun yang ketara dalam aplikasi seperti kabel tambatan laut dalam. Bahagian penggunaan gabungan sektor awam tradisional seperti tekstil rumah, peralatan sukan dan kejuruteraan pembinaan, bersama-sama dengan sektor baru muncul seperti substrat pemisah bateri litium, dijangka meningkat kepada 8%-10%. Walaupun gentian UHMWPE sedang mengembangkan aplikasi komersialnya dalam pasaran awam seperti tekstil rumah dan peralatan sukan, kosnya yang tinggi telah menghalang pembangunan pasaran sebenar. Dalam jangka pendek hingga sederhana, pasaran hiliran dijangka terutamanya didorong oleh pertumbuhan dalam peralatan ketenteraan dan polis, keselamatan dan perlindungan pekerjaan, serta sektor tali dan kabel marin, dengan jumlah permintaan domestik mencecah 55,000 tan menjelang 2028, mewakili kadar pertumbuhan tahunan kompaun sebanyak 10%.
2. Pengeluar UHMWPE Utama
Pada masa ini, hanya empat negara di dunia—Belanda, Amerika Syarikat, Jepun dan China—telah mencapai pengeluaran gentian UHMWPE berskala besar. Pada tahun 2023, kapasiti pengeluaran gentian UHMWPE global ialah 67,000 tan/tahun, di mana kira-kira 22,000 tan/tahun berada di luar negara, dan China menyumbang 45,000 tan/tahun. Tiga syarikat—Evante (AS), Honeywell (AS) dan Toyobo (Jepun)—memonopoli teknologi produk gentian UHMWPE mewah di seluruh dunia, masing-masing dengan kapasiti pengeluaran 14,200 tan/tahun (proses kering), 3,200 tan/tahun (proses basah) dan 3,000 tan/tahun (proses kering). Selain itu, Mitsui Petrochemical (Jepun) dan Teijin (Jepun) juga menghasilkan kuantiti gentian UHMWPE yang kecil. DSM (Belanda) ialah syarikat pertama di dunia yang mengindustrikan pengeluaran gentian UHMWPE secara besar-besaran. Pada tahun 2022, perniagaan berkaitannya telah diperoleh oleh Evante (AS), yang kini merupakan pengeluar gentian UHMWPE terbesar di dunia, menawarkan kualiti produk terbaik dan portfolio jenama paling komprehensif.
3. Trend Pembangunan dan Cadangan untuk Industri Gentian UHMWPE
3.1 Membangunkan Proses Pengeluaran yang Lebih Mesra Alam Proses basah sedia ada gel gentian UHMWPE spinning-super-stretching menggunakan sejumlah besar pelarut dan pengekstrak semasa pengeluaran. Ia memerlukan 10-15 tan pelarut untuk menghasilkan 1 tan produk, dan seterusnya memerlukan 30-45 tan pengekstrak untuk menggantikan pelarut. Untuk pertimbangan alam sekitar dan kos, sistem kitar semula pelarut dan pengekstrak perlu dilaksanakan secara serentak untuk meningkatkan kecekapan penggunaan bahan dan mengurangkan pelepasan bahan pencemar. Menurut data yang didedahkan dalam laporan penilaian kesan alam sekitar beberapa projek gentian UHMWPE, penggunaan sebenar pengekstrak untuk menghasilkan 1 tan produk gentian UHMWPE adalah kira-kira 0.031-0.264 tan, dan penggunaan minyak putih adalah kira-kira 0.06-0.232 tan. Sebaliknya, proses kering tidak memerlukan pengekstrak, dan penggunaan pelarut decahydronaphthalene adalah kira-kira 0.04-0.075 tan. Diklorometana dan tetrakloroetilena, pengekstrak yang biasa digunakan dalam teknologi proses basah, adalah bahan pencemar toksik, berbahaya dan terkawal. Kedua-duanya disenaraikan dalam "Senarai Bahan Kimia Terkawal Keutamaan (Batch Pertama)," "Senarai Bahan Pencemaran Udara Beracun dan Berbahaya (2018)," dan "Senarai Bahan Pencemaran Air Toksik dan Berbahaya (Batch Pertama)." Dengan dasar pengurusan alam sekitar dan keselamatan yang semakin ketat di negara saya, teknologi proses basah perlu segera mencari alternatif kepada pengekstrak yang kurang toksik, kurang berbahaya, malah tidak toksik. Dalam dua tahun yang lalu, penyelidik telah mencadangkan pengekstrak novel berdasarkan cecair ionik untuk mengeluarkan minyak putih pelarut daripada penghasilan gentian polietilena berat molekul ultra tinggi.
Walaupun gentian UHMWPE mempamerkan sifat mekanikal yang sangat baik, ia mengalami kekurangan dalam rintangan haba, rintangan rayapan dan rintangan pengoksidaan. Tambahan pula, disebabkan tenaga permukaan yang rendah dan kekurangan kumpulan kutub, gentian UHMWPE mempunyai sifat pemprosesan permukaan yang lemah, terutamanya dimanifestasikan dalam lekatan yang lemah antara gentian dan matriks resin, ikatan antara muka yang tidak mencukupi, dan mudah terdedah kepada kerosakan antara muka dan penyahikatan di bawah tekanan, yang membawa kepada pengurangan sifat mekanikal bahan komposit. Oleh itu, rawatan pengubahsuaian khusus untuk gentian UHMWPE adalah sangat penting untuk meluaskan lagi rangkaian aplikasinya dan mempromosikan peningkatan produk, dan telah menjadi salah satu topik hangat dalam penyelidikan industri. Untuk rintangan haba dan pengubahsuaian rintangan rayapan, kaedah biasa adalah untuk menggabungkan zarah tak organik atau agen gandingan ke dalam bahan mentah UHMWPE, yang meningkatkan kedua-dua rintangan haba dan rintangan rayapan sambil juga meningkatkan sifat mekanikal gentian. Untuk menangani lekatan permukaan gentian UHMWPE yang tidak mencukupi, kaedah pengubahsuaian biasa termasuk pengubahsuaian plasma, rawatan pengoksidaan, pemautan silang sinaran ultraungu dan pemautan silang reagen kimia. Tujuannya adalah untuk memperkenalkan kumpulan aktif atau meningkatkan kekasaran permukaan gentian.
3.2.1 Gentian UHMWPE Dicelup Penyelesaian Disebabkan sifatnya yang sangat baik, gentian UHMWPE digunakan secara meluas dalam bidang penting seperti teknologi pertahanan negara, kejuruteraan ketenteraan, aeroangkasa, dan perlindungan perubatan. Walau bagaimanapun, kerana rantai makromolekul gentian UHMWPE kekurangan kumpulan berfungsi selain daripada ikatan kovalen karbon-hidrogen, sukar bagi molekul pewarna am untuk mengikatnya untuk pencelupan. Ketidakkutuban dan keteraturan molekulnya menyukarkan molekul pewarna untuk menembusi, mengakibatkan kesukaran dalam pencelupan gentian. Oleh itu, produknya mempunyai pilihan warna yang terhad, mengehadkan kawasan aplikasinya. Untuk menyelesaikan masalah pencelupan sukar gentian berprestasi tinggi, teknologi pencelupan penyelesaian, pencelupan pembawa, pencelupan pelarut bukan akueus, dan pencelupan pengubahsuaian permukaan gentian telah dicadangkan. Antaranya, gentian yang dicelup larutan merujuk kepada gentian berwarna yang diperoleh dengan menambahkan pewarna pada larutan berputar atau mencairkan dan kemudian memutarkannya; ia juga dikenali sebagai gentian tidak dicelup atau gentian pra-putaran dicelup. Berbanding dengan teknik pencelupan tradisional, teknologi pencelupan larutan menawarkan kelebihan seperti penjimatan tenaga dan perlindungan alam sekitar, kelajuan warna yang tinggi, aliran proses yang dipermudahkan dan kos pengeluaran yang rendah, menjadikannya kaedah pencelupan yang paling banyak digunakan untuk gentian UHMWPE. Walaupun sesetengah syarikat domestik telah mencapai pengeluaran berskala besar gentian UHMWPE yang dicelup penyelesaian, mereka masih menghadapi masalah seperti sifat mekanikal yang berkurangan, pengeluaran yang tidak stabil dan kesukaran dalam pemadanan warna. Oleh itu, gentian UHMWPE yang dicelup larutan masih memerlukan penyelidikan dan pembangunan yang lebih mendalam.
3.2.2 Rintangan Rayapan Gentian UHMWPE Gentian UHMWPE mempunyai rintangan rayapan yang lemah; iaitu, di bawah suhu tertentu dan daya luaran yang berterusan, ketegangan gentian UHMWPE secara beransur-ansur meningkat dari semasa ke semasa. Disebabkan oleh ciri ini, kestabilan dimensi dan morfologi gentian UHMWPE adalah lemah, sangat mempengaruhi penggunaannya dalam bahan komposit, tali dan medan lain. Pada masa ini, kegagalan rayapan merupakan masalah yang mendesak untuk diselesaikan dalam penggunaan tali gentian UHMWPE.
Sifat rayapan gentian UHMWPE berkait rapat dengan struktur molekulnya. Secara amnya, sifat rayapan gentian berkaitan dengan saiz rantai makromolekul, kehadiran kumpulan kutub dalam makromolekul, dan kehadiran interaksi polar antara molekul. Disebabkan oleh struktur molekul mudah UHMWPE dan ketiadaan ikatan hidrogen antara molekul, serta fakta bahawa daya van der Waals hanyalah daya serakan, daya antara molekulnya agak lemah, menjadikannya terdedah kepada gelinciran dan rayapan antara molekul.
Dalam penyelidikan mengenai gentian UHMWPE tahan rayapan, pelbagai kaedah telah diterokai untuk meningkatkan prestasinya, dengan pengenalan kumpulan pemautan silang merupakan yang paling banyak dikaji. Penyelidik memaut silang gentian komposit UHMWPE/CNTs menggunakan sinaran ultraungu pada reaktor fotokimia. Apabila masa sinaran ultraungu ialah 8 minit dan pecahan jisim larutan pemautan silang ialah 20%, rintangan rayapannya lebih baik, dengan pengurangan rayapan sebanyak 19.68% berbanding gentian tidak bersilang. Selain itu, penyelidik telah menggunakan benzoyl peroxide (BPO) dan vinyltrimethoxysilane (VTMS) sebagai pemula dan pengubah cantuman, masing-masing, semasa proses pengekstrakan gentian gel UHMWPE untuk melakukan pengubahsuaian silang silang silane. Gentian UHMWPE diubah suai yang disediakan menunjukkan rintangan rayapan yang bertambah baik dengan ketara. Ini kerana pengenalan agen gandingan silane boleh membentuk struktur rangkaian bersilang di dalam gentian, dengan itu menyekat gelinciran antara rantai molekul.
Kajian lain yang berkaitan telah memperkenalkan satu atau lebih monomer daripada butadiena, stirena, metil akrilat, dan isosianurat triallil untuk mendorong tindak balas pempolimeran diri atau pemautan silang, membentuk struktur rangkaian polimer separa interpenetrasi dengan rantai molekul polietilena. Ini meningkatkan ketumpatan belitan di dalam gentian polietilena, mengurangkan gelinciran rantai molekul polietilena, dan dengan itu meningkatkan rintangan rayapan gentian UHMWPE.
3.2.3 Gentian UHMWPE Tahan Suhu TinggiPada masa ini, kaedah utama untuk meningkatkan sifat kalis api gentian UHMWPE termasuk kopolimerisasi, pengadunan, dan cantuman. Sebagai contoh, sesetengah penyelidik menambah nanopartikel magnesium hidroksida yang diubah suai asid oleik kepada UHMWPE, menghasilkan gentian UHMWPE nanokomposit yang dihasilkan oleh pemintalan gel kering, yang mempamerkan kemudahbakaran yang berkurangan dan meningkatkan suhu penguraian awal sebanyak 30°C. Yang lain menggunakan mikrosfera karbon bersalut magnesium hidroksida sebagai kalis api, dengan tetrabutyl titanate dan triphenyl phosphite sebagai pengaktif, untuk menyediakan gentian UHMWPE kalis api melalui kaedah pad-bake, mencapai indeks oksigen mengehadkan sebanyak 23.8%, 36% lebih tinggi daripada gentian UHMWPE tulen. Tambahan pula, sistem buburan kalis api nitrogen-fosforus telah dirumuskan dengan menggabungkan sianurat melamin dengan dietilfosfonat aluminium, dan gentian polietilena (PE-UHMW) berat molekul ultra-tinggi kalis api bebas halogen dihasilkan menggunakan kaedah pemintalan campuran, mencapai indeks pengehad oksigen.5% flameard tertentu dan 27ret. Walau bagaimanapun, dengan peningkatan kandungan kalis api, sifat mekanikal gentian berkurangan sedikit sebanyak. Kajian ini menunjukkan bahawa rintangan haba gentian UHMWPE boleh dipertingkatkan melalui pelbagai kaedah, tetapi kajian lanjut diperlukan untuk mengatasi had prestasi yang lain.
3.2.4 Gentian UHMWPE Berkekuatan TinggiPada masa ini, kekuatan tegangan produk gentian UHMWPE mewah mencapai lebih 40 cN/dtex, tetapi ini hanya kira-kira 8% daripada kekuatan teori. Oleh itu, penyelidik sedang giat meneroka pelbagai kaedah pengubahsuaian untuk meningkatkan sifat mekanikal gentian. Kajian telah menunjukkan bahawa gentian UHMWPE dengan pecahan jisim 5% tiub karbon berbilang dinding (MWNTs) mempunyai kekuatan tegangan 4.3 GPa, iaitu 18.8% dan 15.4% lebih tinggi daripada gentian UHMWPE tulen. Ini terutamanya kerana pada nisbah regangan yang tinggi, MWNTs sejajar sepanjang arah regangan. Orientasi ini mendorong pemindahan beban antara muka yang kuat di bawah kedua-dua terikan kecil dan besar, dengan itu meningkatkan kekukuhan dan kekuatan tegangan gentian komposit. Tambahan pula, semasa peringkat pengekstrakan gentian gel, modulus mekanikal gentian UHMWPE dengan penambahan 1% nano-silika (SiO2) meningkat kira-kira 10%, mungkin kerana zarah nano-SiO2 bertindak sebagai titik penghubung silang dalam gentian. Penyelidik mendapati gentian UHMWPE yang disediakan menggunakan minyak zaitun 20% sebagai pelarut campuran mempamerkan penyahkusutan rantai molekul yang lebih ketara dan pengekalan berat molekul yang lebih tinggi. Berbanding gentian UHMWPE yang disediakan menggunakan decahydronaphthalene sahaja, gentian ini menunjukkan peningkatan dalam kekuatan tegangan (33.85 cN/dtex) dan modulus tegangan (1673.27 cN/dtex), mewakili peningkatan masing-masing sebanyak 24.0% dan 32.3%. Tambahan pula, takat lebur, kehabluran, dan orientasi gentian UHMWPE telah bertambah baik dengan ketara.
3.3 Mengurangkan Penggunaan Tenaga Produk Secara BerterusanPengeluaran gentian UHMWPE memerlukan sumber tenaga yang banyak seperti elektrik dan wap. Selain itu, jentera dan peralatannya berskala besar, mengakibatkan kos susut nilai yang tinggi. Kos tenaga dan pembuatan boleh menyumbang kira-kira 50% daripada jumlah kos. Pengeluar sedia ada mempamerkan perbezaan ketara dalam penggunaan tenaga dan elektrik unit disebabkan oleh variasi dalam proses dan tahap teknologi tertentu. Projek baharu dalam tempoh tiga tahun yang lalu telah menyaksikan penggunaan elektrik antara 0.72 hingga 3.6 juta kWj/tan gentian, penggunaan wap daripada 8 hingga 24.6 tan/tan gentian, dan penggunaan tenaga keseluruhan daripada 1.66 hingga 5.66 tan setara arang batu standard/tan gentian.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, China secara aktif dan berterusan mempromosikan strategi "dwi-karbon"nya, terus meningkatkan penjimatan tenaga dan langkah pengurangan karbon. Industri ini juga terus menambah baik proses dan teknologinya. Mengurangkan penggunaan tenaga dan kos pengeluaran ialah trend pembangunan jangka panjang untuk teknologi pengeluaran gentian UHMWPE. Syarikat yang menguasai proses dan peralatan lanjutan akan memiliki kelebihan kos utama dalam persaingan pasaran yang sengit pada masa hadapan.
