[发明专利]高性能聚乙烯多丝纱

说明书

本申请是中国发明专利申请200480039704.4(题目为“用于制造高性能聚乙烯多丝纱的方法”，申请日为2004年12月23日，对应的PCT申请为PCT/NL2004/000903)的分案申请。

本发明涉及一种用于制造高性能聚乙烯(HPPE)多丝纱的连续方法，包括如下步骤：

a)制备超高分子量聚乙烯在溶剂中的3-25质量％溶液，所述超高分子量聚乙烯具有在135℃下对十氢化萘溶液进行测量时约8-40dl/g的特性粘度；

b)将该溶液通过包含至少5个喷丝孔的喷丝板喷丝到空气隙中以形成流体丝，同时施加拉伸比DR_流体；

c)冷却该流体丝，以形成含溶剂的凝胶丝；

d)至少部分地将溶剂从丝去除；以及

e)在所述溶剂去除步骤之前、之中和/或之后的至少1个步骤中拉伸所述丝，同时施加至少为4的拉伸比DR_固体。

本发明还涉及高性能聚乙烯多丝纱，包含所述纱的半成品或者成品，特别是各种绳索和防弹复合材料。

从WO 01/73173 A1可知这样的方法。在该专利公布中描述了抗张强度为4.0GPa的聚乙烯多丝纱，每一根纱包含60根丝，其中所述纱由包含如下步骤的连续方法制成：

a)制备超高分子量聚乙烯均聚物在矿物油中的8质量％的溶液，该超高分子量聚乙烯均聚物具有27dl/g的特性粘度；

b)将该溶液通过包含60个喷丝孔的喷丝板喷丝到约3.2mm的空气隙中以形成流体丝，同时施加15的拉伸比DR_液体，其中每一个所述喷丝孔具有未规定尺寸的锥形流入区和直径约1mm且长/径比(L/D)为40的下游区；

c)在水骤冷浴中冷却流体丝，以形成含溶剂的凝胶丝；

d)通过用三氯三氟乙烷萃取，将溶剂从丝去除；以及

e)在溶剂去除步骤之前、之中和之后的5个步骤中拉伸所述丝，同时施加36.5的拉伸比DR_固体。

高性能聚乙烯多丝纱在此应理解为表示包含至少5根由超高分子量聚乙烯(UHPE)制成的丝的纱线，该超高分子量聚乙烯具有至少约4dl/g的特性粘度(IV，在135℃下对十氢化萘溶液进行测量)，该纱具有至少3.0GPa的抗张强度和至少100GPa的抗张模量(此后也简称为强度或模量)。这样的HPPE纱的性能特性使其成为用于各种半成品和成品(如绳索和绳线、系留线、渔网、体育设备、医疗应用和防弹复合材料)的令人感兴趣的材料。

在本发明的上下文中，纱应理解为包含多根单丝的狭长体，其中所述丝的横截面尺寸远远小于其长度。丝应理解为连续的丝，即具有几乎无限的长度。丝可以具有各种几何形状或者不规则形状的横截面。纱中的丝可以是平行的或者彼此缠结；纱可以是直线的、加捻的、或除直线构型之外的其他方式。

在纤维和纱线技术领域中公知的是，多丝纱的抗断强度或者抗张强度低于对于其组成单丝所测量的强度。一般来说，纱包含的丝越多，其抗张强度(单位横截面积的断裂强度，例如N/m²或Pa)越低。

图1通过示出所示Spectra和Dyneema等级纱线的抗张强度(TS)数据(从各个生产商的手册和网站收集)并对纱中的丝的数量(n)的对数作图，证实了对于某些商业化的HPPE纱，这种抗张强度随着纱中的丝的数量的增大而减小的趋势。因此，可以断定多丝纱的强度总是低于其单丝的强度。

还公知的是，在喷丝纱中的丝的数量越大，高强度多丝纱的喷丝变得更加困难，可能的原因之一是在丝与丝之间产生喷丝和拉伸条件以及随之性能的差异。对于工业规模商业上可行的聚乙烯多丝纱喷丝方法而言，重要的是这样的方法可以连续运行而没有间断，并且具有高的生产速率，在喷丝纱中具有高数量的丝。

在上述应用的许多中，决定纱在使用中的表现的HPPE纱的关键性能参数包括抗张性能和蠕变特性。因此，在工业中存在对于具有改善性能(如改善的抗张性能)的HPPE多丝纱的持续需要。虽然各种研究表明UHPE丝的理论强度为10-20GPa的范围，但是现有的最强的丝的强度远远低于该强度，例如780-丝DyneemaSK75纱的强度为约3.5GPa。因此，更具体来说，需要一种能够在工业规模上生产具有如此更高强度的纱的方法。