[发明专利]一种超高分子量聚乙烯纤维牵伸方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维牵伸方法，具体涉及超高分子量聚乙烯纤维牵伸方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维也称高强、高模聚乙烯(UHMWPE)纤维或伸长链聚乙烯(ECPE)纤维，是指相对分子质量在(1～7)×10⁶的聚乙烯，经纺丝-超拉伸后制成的超高分子质量聚乙烯纤维。它是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代高性能纤维。

超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料与其它纤维增强复合材料相比，具有质量轻、耐冲击、介电性能高等优点，在航空航天、海域防御、武器装备等领域发挥着举足轻重的作用。同时，该纤维在汽车、船舶、医疗器械、体育运动器材等领域亦有广阔的应用前景。因此，超高分子量聚乙烯纤维自问世起就备受重视，发展很快。

1979年，荷兰DSM公司申请了采用冻胶纺丝技术制造超高分子量聚乙烯纤维的专利(US4344908、特公昭64-8732、US4422993)，在现有的冻胶纺丝技术中，将超高分子量聚乙烯纤维经过喷丝组件使丝条定型，使溶液中的大分子解缠状态得以保存，然后经过骤冷使丝条定型。为了提高初生丝条的质量，在DSM公司发明的在烟道内由空气冷却纺丝工艺的基础上，人们对冻胶纺丝技术做了很多改进，美国的联合信号(Allied Signal)公司将初生丝条先进行短距离空气冷却，然后进入冷水槽快速冷却形成冻胶丝。由于冻胶丝中包含着大量溶剂，在进行拉伸时，溶剂的增塑作用使大分子链产生相对滑移，会降低拉伸的有效性；并且由于溶剂的存在，冻胶原丝的拉伸比受溶剂含量多少影响很大，造成冻胶原丝的拉伸稳定性降低，因此在进行超倍热拉伸之前需要去除原丝中的溶剂。

一般采用萃取工序去除纤维冻胶原丝中的溶剂，人们选择与溶剂具有良好相容性易挥发的有机溶剂作为萃取剂与丝条反应，将溶剂置换出来，然后再对萃取后的丝条在一定的温度下进行干燥，使萃取剂挥发后再进行后续的超倍热拉伸。由于溶剂已经被置换出来，因此在进行超倍热拉伸时，在纤维结晶度和取向度提高的基础上，使呈折叠链的PE片晶向伸直链转化，从而获得高强、高模聚乙烯纤维。

在现有技术下，超高分子量聚乙烯纤维的超倍热拉伸是将纤维通过多个热甬道进行多级热拉伸实现的，牵伸机一般采用热辊牵伸机对纤维进行拉伸中间的预热和保温过程，在每一级的拉伸的过程中，由于纤维经历过大的拉伸变形，因此在纤维内部会产生较大的内应力，内应力的存在会显著降低纤维的拉伸强度，使纤维的变形率下降，降低纤维的模量。

因此需要一种可以有效释放纤维内应力、提高纤维力学性能的超高分子量聚乙烯纤维的牵伸方法。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种可以有效释放纤维内应力、提高纤维力学性能的超高分子量聚乙烯纤维的牵伸方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种超高分子量聚乙烯纤维的牵伸方法，包括对待牵伸的超高分子量聚乙烯冻胶原丝在70℃～160℃施加总牵倍为2倍～60倍的至少两级的正牵伸后得到超高分子量聚乙烯纤维，在所述两级的正牵伸之间还包括对所述冻胶原丝在120℃～150℃施加牵倍小于1倍的负牵伸。

本文中，所述干燥后的超高分子量聚乙烯纤维冻胶原丝是指超高分子量聚乙烯纺丝液经过冻胶纺丝、萃取、干燥后得到的冻胶原丝。所述冻胶纺丝方法可以通过例如在专利GB2042414A或WO01/73173中所描述的冻胶纺丝工艺来制备。在制备超高分子量聚乙烯原丝时，先将超高分子量聚乙烯粉末与溶剂混合溶胀经过双螺杆挤出机挤压溶解得到纺丝溶液，再将纺丝溶液采用冻胶纺丝技术制备超高分子量聚乙烯冻胶丝。因此，所述超高分子量聚乙烯粉末为重均分子量(M_w)为(1～7)×10⁶的线性超高分子量聚乙烯，优选的，重均分子量为(1.5～4.5)×10⁶，更优选的，重均分子量为(1.8～4.0)×10⁶。所述超高分子量聚乙烯的粉末粒度为40μm(微米)～200μm，优选的，所述超高分子量聚乙烯粉末粒度为80μm～180μm。

按照本发明的方法，所述作为超高分子量聚乙烯纺丝原液的溶剂为室温下是液体的碳氢化合物，优选的，可以为氢化萘或烷烃系列，例如可以选自四氢化萘、十氢化萘、煤油、石蜡油或石蜡中的一种或几种作为超高分子量聚乙烯的溶剂，更优选的，可以选用分子量为40～1000的石蜡油作为超高分子量聚乙烯的溶剂。纺丝溶液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为4％～25％，优选的，超高分子量聚乙烯的重量百分比为5％～19％，更优选的，超高分子量聚乙烯的重量百分比为7％～15％。