[发明专利]超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维制备技术领域，更具体地说，涉及一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)，也称高强高模聚乙烯纤维，是指由相对分子量在100万以上的聚乙烯依次经过纺丝、萃取、干燥和超倍拉伸制成的高性能纤维。采用超高分子量聚乙烯纤维制成的纤维增强复合材料具有质量轻、耐冲击、介电性能高等优点，被广泛用于航空航天领域、海域防御领域、武器装备领域和日常工业领域。

20世纪70年代，A.J.PENNINGS,P.J.LEMSTRA,P.SMITH等人研究了超高分子量聚乙烯纤维的生产工艺。1979年，其首次报道以粉末状超高相对分子质量聚乙烯为原料，采用冻胶纺丝技术制备超高分子量聚乙烯纤维。在冻胶纺丝技术中，通常使用相对分子量在100万以上的聚乙烯作为原料，将该原料与合适的溶剂混合溶胀得到的悬浮液作为纺丝原液，然后将该纺丝原液经螺杆挤出机的剪切、匀混、解缠，再经喷丝组件挤出拉伸-冷凝成型获得凝胶化预取向丝，然后将凝胶化预取向丝进行萃取、干燥和超倍拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。

理论计算显示，UHMWPE纤维的极限强度可达30±3GPa，模量可达350GPa；得到的实验室产品强度也可达到9GPa。该纤维因其出众的力学性能，从一开始便赢得了工业界的极大关注。但直至目前，产业化生产的UHMWPE纤维强度和模量都远远低于理论值，仅为2.5～3.5GPa左右。随着对产业用高强高模纤维需求的增大，越来越多的科研人员着手研究冻胶纺UHMWPE纤维的强度不及其极限强度1/10的原因，将纤维的强度和模量向理论值靠近。

导致冻胶纺UHMWPE纤维强度远低于其理论极限强度的原因较多，最主要的原因与纤维的分子结构及其结晶形态有关。众所周知，UHMWPE凝胶纺的大体流程为，UHMWPE粉末经溶剂溶解后，分子链间缠结得到一定的解缠，通过喷丝板挤出并骤冷形成冻胶预取向丝，保持了丝条内分子链的解缠状态；再经过萃取及热拉伸，使PE大分子链沿轴向充分伸展，结晶度及取向度都相应提高。同时，分子结构内的折叠链片晶向伸直链转化，从而获得高强、高模的聚乙烯纤维。在热牵伸过程中，分子中的折叠链被逐渐打开并拉直，片晶在被破坏的过程中发生重结晶，正交晶系部分转化为更为稳定的六方晶系，这正是UHMWPE纤维具有优异力学性能的根本原因。

相关研究人员一直致力于研究更为先进的工艺以生成稳定的基础晶型结构，并在热牵伸过程中调整工艺以尽可能高的完成晶型转变。一般而言，为了得到结晶度较高即具有较高强度和模量的产品，需要对萃取后的纤维进行高倍、热牵伸来提高取向度和结晶度。在牵伸过程中，分子结构中的正交晶系会向六方晶系进行转化，当有部分六方晶系形成后，纤维强度得到提高；另一方面，由于纤维断裂将导致产品品质下降，因此，具有较高的断裂伸长率同样是纤维的重要性质。目前下游产品中有部分需求是希望断裂伸长能较大，且兼具高强度和高模量，比如减缓子弹的冲击和消除海浪带来的拉伸能量。

由于提高力学性能和提高断裂伸长率本身是一个相互矛盾的过程。即，为了得到更高、更完整的晶型转变，热牵阶段都会进行极限拉伸，使结构中的结晶度达到最大。如此一来，成品丝结构中具有相对较为完整的结晶区，在后期的常温条件下拉伸，断裂伸长率不会再有提高。现有技术中，对于如何提高产品的力学性能研究较多，但对于提高超高分子量聚乙烯纤维断裂伸长率的专利鲜有报道。

本发明人考虑，提供一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，一方面保持分子结构中的晶型在热牵伸过程中尽量完全的去转化，赋予纤维高强、高模的特性；另一方面，使纤维具有相对较大的断裂伸长率，满足下游产品应用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，该方法制备的超高分子量聚乙烯纤维具有较高的强度、模量和断裂伸长率。

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制备方法，包括以下步骤：

将纺丝原液送入双螺杆挤出机共混挤出，得到第一纺丝溶液；

将所述第一纺丝溶液送入纺丝箱体，在喷丝头处进行5～40倍的牵伸，得到第二纺丝溶液；

将所述第二纺丝溶液速冷固化，得到凝胶化预取向丝；

将所述凝胶化预取向丝进行平衡静置处理；