[发明专利]超高分子量聚乙烯的高强度带状制品

说明书

相关申请

本申请是2009年8月11日提交的目前待审的美国专利申请序号12/539,185号的部分继续申请案。

技术领域

本技术涉及由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）复丝纱制成的带状制品，还涉及可由这种带状制品制成的织物、层压材料和耐冲击材料。

相关技术描述

耐冲击和防穿刺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。

各种纤维增强构造已知用于耐冲击、防弹和防穿刺制品，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的穿刺并具有不同程度的每单位重量效力。

例如，防弹效力的一个衡量标准是每单位目标面积密度从射弹上除去的能量。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4,623,574号显示了用带形增强材料构成的复合材料与使用复丝纱的复合材料之间的防弹效力比较：两者都为超高分子量聚乙烯（UHMW PE）。纤维的韧度高于丝带（ribbon）：30克/旦尼尔（g/d）(2.58 GPa)相对23.6 g/d (2.03 GPa)。但是，用丝带构成的复合材料的SEA略高于用纱线构成的复合材料的SEA。美国专利4,623,574号因此指出用带形增强材料构成的复合材料在制造防弹复合材料方面比复丝纱更有效。

Takashi Nakahara等人，“Ultra High Molecular Weight Polyethylene Blown Film Process”，ANTEC 2005，178-181 (2005)提供了UHMWPE熔喷膜的制备的一个实例。将通过这种方法制成的膜纵切并牵拉以制造高强度带材。由拉伸吹塑膜制成的带材的韧度小于20 g/d (1.72 GPa)。

美国专利5,091,133；5,578,373；6,951,685；7,740,779号公开了在升高的温度下压实聚乙烯粉末以使颗粒粘合成连续片，然后将其进一步压实和拉伸。美国专利5,091,133号描述了具有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材可以自BAE Systems以商标TENSYLON?商购得到。TENSYLON?网站上报道的最高韧度为19.5 g/d（1.67 GPa的抗拉强度）。

Yachin Cohen等人，“A Novel Composite Based on Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene”，Composites Science and Technology，57，1149-1154 (1997)提供了描述由Spectra?纤维制成的UHMWPE复合材料的制备的一个实例。用溶剂处理处于拉力下的Spectra?纤维以在形成预浸料坯的同时溶胀纤维表面并促进纤维之间的粘合。然后将该纱制预浸料坯缠绕在板上以制造单向层，其随后压制和加热并除去溶剂以产生在由之前溶解的纤维表面形成的重结晶UHMWPE基质中含有UHMWPE纤维的复合片材。研究人员声称，UHMWPE的独特性质使其成为与UHMWPE纤维一起使用的基质材料的合意候选；但是，由于几个原因，这在使用它们的溶剂型方法之前是不可能的：1) 定向UHMWPE纤维和无定向UHMWPE基质之间的熔融温度差太小，2) UHMWPE的极高熔体粘度导致用于形成复合材料的模塑过程中的熔体流动可忽略不计，3) 未处理的UHMWPE纤维与UHMWPE基质的相对较差的粘合。

美国专利5,135,804号描述了通过加热和压制单向排列的凝胶纺成聚乙烯纤维制成的高强度板，而在压制前没有纤维的任何溶剂或树脂处理。通过围绕3英寸正方形金属板缠绕纤维、然后在加热压机中将组装件压制数分钟，形成板实例。该热压UHMWPE板基本没有空隙并且基本透明。

美国专利5,628,946号描述了由热塑性聚合物纤维制成的均匀聚合整料，首先在足以选择性熔融一部分聚合物纤维的升高的温度下将所述纤维压至互相接触，然后在更高的第二压力下在该升高的温度压制以使该材料进一步固结。给出了由Spectra?纤维制成的尺寸为3 mm×55 mm×55 mm的单片板的一个实例，其中单向排列的纤维束在模具中在152℃下在第一压力下压制10分钟，并在更高的压力下压制30秒。据称，压制片材的DSC迹线显示通过原始纤维的熔融形成了大约35%的“第二相”。

本技术概述