[发明专利]高强度聚乙烯产品及其制备方法

说明书

发明领域

本公开涉及聚乙烯产品。更具体地，本公开涉及高强度和高模量的聚乙烯层压材料。

本说明书中使用的术语的定义

如本公开所用，以下的术语和短语通常旨在具有如下所述的含义，除了在使用其的上下文中有其它指示的情况。

术语“预层压材料”在本公开中用于描述在压延轧制冷却的超高分子量粉末之后获得的预制件，其在热拉伸后形成本公开的高强度的层压材料。

术语“层压材料”在本公开中用于描述可以为单层或多层的产品，如片材、薄膜和条带。

术语“未缠结的”用来描述超高分子量聚乙烯——乙烯的均聚物或共聚物，其具有30万至2000万范围内的摩尔质量、大于75％的结晶度、大于200J/g的融合热以及0.048至0.3g/cc的堆密度，其中聚乙烯链具有低缠结性或是完全未缠结的。

发明背景

当经受专门加工时，未缠结的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)产生具有极高强度和模量的聚乙烯产品-这是归因于当经受加工技术如热拉伸时该未缠结的UHMWPE的聚合物链的均匀和平行定向的结果。由于其特有的物理性质，已经发现这些极其高强度的聚乙烯产品在不同领域如探险运动、研究实验室、医疗器械和航空环境等具有大量应用。

以往，在制备UHMWPE中使用传统的多相立体特异性催化剂，该UHMWPE进一步用于制备高强度的聚乙烯产品。然而，所得的UHMWPE以高度缠结的状态存在。该聚合物的缠结特性降低了通过常规加工工具的熔融可加工性，从而限制了该高强度产品的有效制备。

美国专利号4,436,689和美国公开号2011/0207907公开了从缠结的UHMWPE制备非常高强度的聚乙烯产品的被称为凝胶纺丝的方法。然而，在上述现有技术的文献中所公开的方法基本上需要溶剂去除步骤，其是昂贵且耗时的。另外，为了从UHMWPE制备非常高强度的薄膜和条带，需要使UHMWPE在轧制和热拉伸之前进行压缩模制。例如，PCT文件WO2009/153318公开了用于制备非常高强度的聚乙烯产品的方法，其包括压实UHMWPE，随后轧制，接着进行热拉伸的工艺步骤。这不仅使得该方法更加昂贵和耗时，同时还降低了整体工艺的效率。此外，PCT文件WO2009/153318公开的方法表明在配料之前加热UHMPWE粉末，其需要更多的能量和时间投入。

因此，有必要开发一种用于制备高强度的UHMPWE产品的方法，其减少了现有技术的方法中的缺点。

目标

下文描述本公开的一些目的，其中适于由至少一个实施方式提供：

本公开的一个目的是提供具有高强度和高模量的聚乙烯产品或层压材料。

本公开的另一个目的是提供用于制备具有高强度和高模量的聚乙烯产品的方法，其是快速、经济和环境友好的。

本公开的再一个目的是提供用于制备具有极其高强度和高模量的聚乙烯产品的方法，其是连续、简单和有效的。

通过阅读以下的描述和附图，本公开的其它目的和优点将变得更加明显，所述描述和附图不意欲限制本公开的范围。

概述

本公开提供了一种用于制备高强度聚乙烯层压材料的方法，所述方法包括以下步骤：

i.提供预干燥的，至少50％的未缠结的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末；

ii.在至少一对加热的、抛光的以不同轧辊速度旋转的反向旋转压延轧辊的辊隙处进料温度在-15℃至50℃范围内的所述UHMWPE粉末，以获得至少一种预层压材料；和

iii.在预定温度和预定的拉伸速度下热拉伸所述预层压材料，以获得高强度层压材料，

其中所述层压材料选自片材和薄膜。

本方法还包括在任意方法步骤中掺入至少一种抗氧化剂。

根据本方法，该抗氧化剂是四(亚甲基-(3,5-二叔丁基-4-氢肉桂酸酯))甲烷。

根据本方法，该高强度聚乙烯层压材料是透明的。

本公开还提供通过前述方法制备的单层高强度层压材料，特征在于，拉伸强度在0.5GPa至3.0GPa的范围内并且拉伸模量在40GPa至200GPa的范围内。

本方法还包括在热拉伸步骤之前，使所述预层压材料在至少一对压延轧辊之间共同通过的步骤，以获得高强度的多层聚乙烯层压材料。

本公开还提供了通过前述方法制备的多层高强度聚乙烯层压材料，特征在于，拉伸强度在0.5GPa至3.0GPa的范围内并且拉伸模量在40GPa至200GPa的范围内。

根据本方法，在压延轧辊的辊隙处进料的UHMWPE粉末具有在-5℃至28℃范围内的温度。