[发明专利]UHMWPE纤维及其生产方法

说明书

本发明涉及一种凝胶纺丝超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维及其 生产方法。本发明进一步涉及一种绳索、网状物和复合物，具体涉及一种 含有UHMWPE纤维的防弹应用复合物。

凝胶纺丝UHMWPE纤维通过如下制成：将UHMWPE溶液纺成细 丝，将该液体细丝冷却成凝胶态，然后除去纺丝溶剂，以形成固体细丝。 液体、凝胶或固体细丝中的一种或多种被拉伸至细丝中的UHMWPE分子 高度取向的状态。例如EP 1137828B1、WO2005/066401、EP 1193 335、US 6958187和US 6969553中描述了UHMWPE纤维以及获得该纤 维的凝胶纺丝工艺。

尽管凝胶纺丝工艺通常生产高度取向的UHMWPE纤维，但是缺陷常 常出现在该纤维的整体分子结构中，特别是出现在该分子结构的结晶部分 中。上述缺陷(例如之字形UHMWPE分子中的链折叠、回环、缠结和纽 结)对于纤维的物理性能和机械性能具有不利影响。

预期整体分子结构具有较少缺陷的UHMWPE纤维(具体为单晶中结 晶部分的完善性(perfection)增加的UHMWPE纤维)在各种应用(例如 复合物、绳索和网状物)中具有出众的性能。

因此，存在对如下的需求：整体分子结构的完善性增加的凝胶纺丝 UHMWPE纤维，特别是结晶UHMWPE部分的结构具有更接近理想 UHMWPE晶体的结构的凝胶纺丝UHMWPE纤维。

因此，本发明的目的在于提供一种整体分子结构的完善性增加(即分 子结构与已知UHMWPE纤维的整体分子结构相比含有较少缺陷)的 UHMWPE纤维以及提供了上述纤维的生产方法。本发明的另一个目的在 于提供一种如下UHMWPE纤维，该UHMWPE纤维除了具有提高的整体 分子结构的完善性以外还包含与已知UHMWPE纤维的结晶部分相比具有 较少缺陷因而更接近理想UHMWPE晶体的结构的结晶UHMWPE部分。

上述目的由如下的凝胶纺丝UHMWPE纤维实现，所述凝胶纺丝 UHMWPE纤维包含在135℃下十氢化萘中具有至少8dl/g的特性粘度和具 有在26℃下通过固态质子NMR测定的至少600ms的T₁松弛时间的 UHMWPE。

根据本发明，UHMWPE纤维的整体分子结构的完善性由固态质子核 磁共振(NMR)通过如下确定：测定所述UHMWPE纤维特有的自转-晶 格(spin-lattice)T₁松弛时间(在本文中被称为T₁松弛时间)。该T₁松弛 时间由本文稍后说明的反转回复实验(inversion recovery experiment)测 定。该T₁松弛时间取决于UHMWPE纤维的整体分子结构中存在的缺陷 (例如前述那些缺陷)总数，其数值随着所述分子结构的完善性的改善 (即分子结构具有较少缺陷)而增大。

令人惊讶地发现，本发明的UHMWPE纤维的T₁松弛时间大于已知 UHMWPE纤维的T₁松弛时间，从而本发明UHMWPE纤维的整体分子结 构包含更少的缺陷，因而更完善。

优选地，本发明的UHMWPE纤维的T₁松弛时间为至少700ms，更优 选为至少800ms，甚至更优选为至少900ms，甚至还要更优选为至少 1000ms，最优选为至少1100ms。

本发明人发现，本发明的具有增加的整体分子结构的完善性的 UHMWPE纤维具有改进的物理性能或者具有改进的物理性能组合，例如 具有改进的尺寸稳定性、非常低的吸潮性或吸水性以及拉伸强度在潮湿条 件下的高保持性。

本发明人进一步发现，本发明的UHMWPE纤维与等同拉伸的已知纤 维相比具有增强的拉伸性能。在不受缚于任何理论的情况下，本发明人将 拉伸性能的增强归因于本发明的UHMWPE纤维增加的的整体分子结构的 完善性和IV高于8dl/g的UHMWPE的潜能二者的组合，从而形成高强度 纤维，这是因为例如碳碳键的强度高，横截面积小的分子链长且规整，能 够进行紧密分子堆积形成高结晶度。

根据本发明的UHMWPE纤维的拉伸强度优选为至少2.5GPa，更优选 为至少3GPa，甚至更优选为至少3.5GPa，甚至还要更优选为至少4 GPa，甚至还要更优选为至少4.5GPa，最优选为至少5GPa。