一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法与应用。将超高分子量聚乙烯树脂粉、溶剂及助剂混合，经溶胀、溶解、纺丝、拉伸得到超高分子量聚乙烯干态半成品纤维；该半成品纤维经过热牵伸后进入水洗装置；水洗后的纤维经热定型，得到所述超高分子量聚乙烯纤维。与现有技术相比，本发明专利技术提供的方案中，纤维在收卷前依次通过特定的水洗及热定型过程，以达到内应力的释放，从而提升纤维力学性能，并改善纤维的变异率。纤维的变异率。

【技术实现步骤摘要】
一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于高分子材料
，尤其是涉及一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]超高分子量聚乙烯纤维由于其高比强度和高比模量，被广泛用于防弹制品及军用设施、装甲等。但是，超高分子量聚乙烯纤维在生产过程中，因大分子链不断取向、结晶易形成内应力，如果内应力不消除，后加工过程会导致制品表面不平整，以及性能不均匀。
[0003]内应力的本质是大分子链在加工过程中形成的不平衡的构象，这种不平衡构象在成型时不能立即恢复到与环境条件相适应的平衡构象。这种不平衡构象的实质为一种可逆的高弹形变，而冻结的高弹形变平时以位能形式贮存在成品中，在适宜的条件下，这种被迫的不稳定的构象将向自由的稳定的构象转变，位能转变为动能而释放。当大分子链间的作用力和相互缠结力承受不住这种动能时，内应力平衡遭到破坏，制品就会产生应力变形。为此，需找到一种方法，最大程度地降低纤维的内应力，避免应力集中，从而改善制品的性能稳定性。
[0004]专利CN101629330A中公开了一种在冻胶原丝两级正牵伸间，在120～150℃下施加小于1倍的负牵伸，可以有效释放纤维的内应力，提高纤维力学性能，并且降低纤维的变异系数。专利CN106544747A公开了一种超高分子量聚乙烯有色纤维的制造方法，其在热拉伸步骤后附加一个松弛步骤，松弛温度在拉伸温度的
±
5℃范围之内，松弛拉伸倍率不大于1.00。专利CN102433597A也公开了对正向牵伸后的纤维，再在90℃～120℃施加牵倍为0.7～0.9的负牵伸，可以有效释放内应力。
[0005]以上技术都是通过加热负牵伸的方式来使纤维释放内应力，但因为热箱长度有限，所以应力释放时间也很有限。专利CN101684573A中公开了一种在拉伸前，通过将原丝在1℃～25℃下进行静置处理使原丝收缩，可以有效去除原丝内应力，使原丝具有更好的拉伸性能。此法虽然时间充裕，但无法释放掉后续热牵伸产生的内应力。用此纤维制得的UD布及复合材料，经热压后表面很不平整，极易鼓泡，而且V50值波动也很大。

技术实现思路

[0006]基于现有技术中制备的高分子纤维应力释放有限的问题，本专利技术提供一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法与应用。
[0007]本专利技术提供的方案中，纤维在收卷前依次通过特定的水洗及热定型过程，以达到内应力的释放，从而提升纤维力学性能，并改善纤维的变异率，进一步制得性能稳定的产品。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]本专利技术首先提供一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0010]1)准备超高分子量聚乙烯干态半成品纤维；
[0011]2)该半成品纤维经过热牵伸后进入水洗装置；
[0012]3)水洗后的纤维经热定型，得到所述超高分子量聚乙烯纤维。
[0013]在本专利技术的一个实施方式中，步骤1)中，超高分子量聚乙烯干态半成品纤维可以采用超高分子量纤维的常规制备方法制备得到，例如，将超高分子量聚乙烯树脂粉、溶剂及适量助剂充分混合，经溶胀、溶解、纺丝、拉伸等得到超高分子量聚乙烯干态半成品纤维。
[0014]在本专利技术的一个实施方式中，步骤1)中，所述超高分子量聚乙烯树脂粉的分子量为400万
‑
600万，且重均分子量Mw与数均分子量Mn之比Mw/Mn为3
‑
7，优选为3
‑
5，且粒径在120
‑
220μm之间的超高分子量聚乙烯树脂粉颗粒的比例≥50％，优选为≥70％。
[0015]在本专利技术的一个实施方式中，步骤1)中，所述溶剂选自卤代烃、矿物油、十氢萘、四氢萘、萘、二甲苯、甲苯、十二烷、十一烷烃、癸烷、壬烷、辛烯、氯苯、石油醚或低分子量聚乙烯蜡中的一种或多种的组合。
[0016]在本专利技术的一个实施方式中，步骤1)中，所述助剂选自抗氧剂、流动促进剂、热稳定剂、着色剂或功能性粉末中的一种或多种的组合。
[0017]在本专利技术的一个实施方式中，步骤1)中，制备得到超高分子量聚乙烯干态半成品纤维时，所述超高分子量聚乙烯树脂粉、溶剂及助剂的加入量根据其制备方法进行相应调整，不论选择哪种方法，其总体溶质和溶剂的定量关系跟超高分子量聚乙烯树脂粉的选择有关，也是本领域技术人员根据超高分子量聚乙烯树脂粉的选择能够确定的。
[0018]在本专利技术的一个实施方式中，步骤1)中，制备得到超高分子量聚乙烯干态半成品纤维时，溶胀、溶解、纺丝、拉伸等工序都是本领域技术人员的常规技术手段。
[0019]在本专利技术的一个实施方式中，步骤2)中，所述热牵伸选择一级、二级或者更多级。
[0020]在本专利技术的一个实施方式中，步骤2)中，所述水洗装置选择一个或几个相连的槽体组成，槽体的形式可以选择水平槽、立式槽或其他形式的壳体，各槽体之间的液体流动方式为从后向前溢流，与纤维运行方向相反。
[0021]在本专利技术的一个实施方式中，步骤2)中，所述水洗装置配有多个主动拉伸辊和被动拉伸辊，通过调整主动拉伸辊速度来实现纤维的拉伸张力控制，拉伸张力控制区间为0.2
‑
1.2CN/dtex，优选0.3
‑
1.0CN/dtex。纤维经热牵伸后，一方面，因热滞后效应产生冷却收缩，另一方面，纤维因应力释放而产生形变。拉伸张力太大，将会限制纤维的收缩，使应力释放不充分。拉伸张力太小，纤维在超声波的震动作用下，运行方向不稳。
[0022]在本专利技术的一个实施方式中，步骤2)中，所述水洗装置的出口处设有吸水毛毡，以尽可能降低热定型前纤维的带液量。
[0023]在本专利技术的一个实施方式中，步骤2)中，所述水洗装置包括若干盘管，可以通加热或冷却介质，用以实现水洗温度的控制。该温度与产品规格相关，特定的规格选择特定的温度。
[0024]在本专利技术的一个实施方式中，步骤2)中，所述水洗装置包括超声波发生装置，其中超声波功率可调。
[0025]在本专利技术的一个实施方式中，步骤2)中，所述水洗装置的浸润长度≥10米，更优选≥20米。
[0026]在本专利技术的一个实施方式中，步骤3)中，所述热定型拉伸张力≤0.8CN/dtex，定型温度为120
‑
135℃。
[0027]进一步优选地，所述热定型拉伸张力≤0.5CN/dtex。如果张力大于上述范围，则得到的纤维内部残余应力大，收卷后收缩变形大，而且制成防弹制品后，产生尺寸变化和力学物性变动，因而不是优选的。
[0028]进一步优选地，所述定型温度为120
‑
130℃。热定型处理虽然可以降低内应力，但温度过高，有可能导致分子链重排，所以选择远离熔点。该热处理的作用：一是去除纤维表面多余的水分，二是提高温度，进一步促进内应力的释放。
[0029]在本专利技术的一个实施方式中，步骤3)中，所述热定型时间为8
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)准备超高分子量聚乙烯干态半成品纤维；2)该半成品纤维经过热牵伸后进入水洗装置；3)水洗后的纤维经热定型，得到所述超高分子量聚乙烯纤维。2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤1)中，超高分子量聚乙烯干态半成品纤维由超高分子量聚乙烯树脂粉、溶剂及助剂混合，经溶胀、溶解、纺丝、拉伸得到；所述超高分子量聚乙烯树脂粉的分子量为400万
‑
600万，且重均分子量Mw与数均分子量Mn之比Mw/Mn为3
‑
7，优选为3
‑
5，且粒径在120
‑
220μm之间的超高分子量聚乙烯树脂粉颗粒的比例≥50％，优选为≥70％。3.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述热牵伸选择一级、二级或者更多级。4.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述水洗装置选择一个或几个相连的槽体组成，各槽体之间的液体流动方式为从后向前溢流，与纤维运行方向相反。5.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许海霞，黄金元，王新威，孙勇飞，郑晗，王萍，黄周雨，
申请(专利权)人：上海化工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：