[发明专利]高强度超高分子量聚乙烯带制品

说明书

发明背景

1. 发明领域

本发明涉及由高强度超高分子量复丝纱制造高强度聚乙烯带制品的方法，和由其制成的带制品、织物、层合材料和耐冲击材料。

2. 相关技术描述

耐冲击和防穿透材料可用于许多用途，如运动设施、救生衣和最重要地，个人护身装甲（personal body armor）。个人防护用的护身装甲的构造是古老而非过时的工艺。公元前1500年已为埃及人公知的金属装甲持续使用到约17世纪末。在当代，由于发现新的强韧纤维，如芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯（UHMW PE）和聚苯并吡咯，护身装甲又变得实用。

各种纤维增强构造已知用于耐冲击、防弹和防穿透制品，如头盔、挡板和背心。这些制品表现出不同程度的防射弹或刀具冲击穿透性并具有不同程度的每单位重量效力。防弹效力的一个衡量标准是每单位目标面积密度从射弹中除去的能量。这被称作比吸能，缩写为“SEA”且单位是焦耳/千克/平方米或J-m²/Kg。

纤维构造的SEA已知通常随组成纤维的强度、拉伸模量和致断能量提高而提高。但是，其它因素，如纤维增强材料的形状可能起作用。美国专利US 4,623,574显示用带形增强材料构造的复合材料与使用复丝纱的材料之间的防弹效力的比较：两者都为UHMW PE。纤维具有比带高的韧性：30克/旦尼尔（缩写为g/d）vs 23.6 g/d。

但是，用带构造的复合材料的SEA略高于用纱线构造的复合材料的SEA。US 4,623,574教导了弹性体涂布的条或带在制造防弹复合材料方面比涂布的长丝纱更有效。

在US 4,413,110中描述了通过常称作“凝胶纺丝（gel spinning）”的方法制备具有扁平横截面的UHMW PE制品。在US 4,623,574中描述了通过US 4,413,110的方法制成的带。其具有0.64厘米的宽度、1240旦尼尔和23.9 g/d的韧度（相当于2.04 GPa的抗拉强度）。

在美国专利4,996,011；5,002,714；5,091,133；5,106,555、5,200,129；5,578,373；5,628,946；6,017,834；6,328,923 B1；6,458,727B1；7,279,441 B2；6,951,685 B1；US 7,470,459 B1；美国专利公开2008/0251960 A1；2008/0318016 A1；和WO 2009/056286 A1中描述了制备UHMW PE带制品的其它方法。

在这些专利的一组中，聚乙烯长丝经受在升高的温度下的接触压力以选择性熔融一部分纤维，从而将长丝粘结在一起，接着压实该粘结纤维。在US 5,628,946中经受这种方法的UHMW PE SPECTRA?纱线损失其纵向模量的69%。

在这些专利的另一组中，在升高的温度下压实聚乙烯粉末以使粒子粘合成连续片，将其进一步压实（compress）和拉伸。US 5,091,133描述了具有3.4 GPa的抗拉强度的通过这种后一方法制成的纤维。由此制成的聚乙烯带可以以商标TENSYLON?购得。在TENSYLON?网站上报道的最高韧度为19.5 g/d（1.67 GPa的抗拉强度）。

描述聚乙烯带的制备和/或UHMW PE纤维的整平的研究出版物包括下列：

R.J. Van等人, The Hot Compaction of SPECTRA Gel-Spun Polyethylene Fibre, J. Matl. Sci., 32, 4821-4831 (1997)。

A. Kaito等人, Hot Rolling and Quench Rolling of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene, J. Appl. Poly Sci., 29, 1207-1220 (1983)；Preparation of High Modulus Polyethylene Sheet by the Roller-Drawing Method, J. Appl. Poly Sci., 30, 1241-1255 (1985)；Roller Drawing of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene, J. Appl. Poly. Sci., 30, 4591-4608 (1985)。