[發明專利]凝膠化預取向絲及其制備方法和超高分子量聚乙烯纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201110306879.9
• 申請日: 2011-10-11
• 公開（公告）號: CN102433597A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 賀鵬;黃興良;林鳳琦;藍燕;葛兆剛
• 申請（專利權）人: 北京同益中特種纖維技術開發有限公司
• 主分類號: D01D5/04
• 分類號: D01D5/04;D01D1/02;D01D5/12;D01D10/00;D01F8/06
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 逯長明

技術領域

本發明涉及纖維制備方法，特別涉及一種凝膠化預取向絲及其制備方法和超高分子量聚乙烯纖維及其制備方法。?

背景技術

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)，也稱高強高模聚乙烯纖維，是指由相對分子量在100萬以上的聚乙烯依次經過紡絲、萃取、干燥和超倍拉伸制成的高性能纖維。采用超高分子量聚乙烯纖維制成的纖維增強復合材料具有質量輕、耐沖擊、介電性能高等優點，被廣泛用于航空航天領域、海域防御領域、武器裝備領域和日常工業領域。?

在現有技術中，制備超高分子量聚乙烯纖維通常使用凍膠紡絲技術，該項技術首先由荷蘭的DSM公司發明。在凍膠紡絲技術中，通常使用相對分子量在100萬以上的聚乙烯作為原料，將該原料與合適的溶劑混合溶脹得到的懸浮液作為紡絲原液，然后將該紡絲原液經螺桿擠出機的剪切、勻混、解纏，再經噴絲組件擠出拉伸-冷凝成型獲得凝膠化預取向絲，然后將凝膠化預取向絲進行萃取、干燥和超倍拉伸得到超高分子量聚乙烯纖維。?

UHMWPE具有高強、高模性能的原因在于：UHMWPE粉末經溶劑溶解后，分子鏈間纏結得到一定的解纏，通過噴絲板擠出并驟冷形成的凝膠化預取向絲保持了絲條內分子鏈的解纏狀態；再經過萃取及超倍多級熱拉伸，使PE大分子鏈沿軸向充分伸展，結晶度及取向度都相應提高。同時，分子結構內的折疊鏈片晶向伸直鏈轉化，從而獲得高強、高模的聚乙烯纖維。?

根據Griffth公式可知，UHMWPE單絲越細，纖維力學性能越好；并且單絲越細，做成的織物手感更為柔軟。但是，就凍膠紡UHMWPE纖維的工藝來說，這就需要將凝膠化預取向絲進行更高倍的牽伸，這也對凝膠化取向絲的可牽伸性及其結晶結構提出非常高的要求。現有?的技術只能實現30～40倍的后續熱牽伸，當牽伸倍數超過上述牽倍時，UHMWPE纖維束通常會發生單根或多根的纖維斷裂。?

本發明人經研究發現，分子鏈間的結晶并非僅出現于熱拉伸過程中。實際上，紡絲料液在螺桿中進行剪切并通過噴絲板噴出驟冷成型從而得到初生絲條時，部分解纏的大分子鏈在取向作用下首先形成具有伸直鏈晶體結構的串晶中心線部分，該串晶中心線部分可以作為晶核引發生成一系列的折疊鏈片晶，構成串晶結構。這樣，在后續的熱牽伸過程中，分子鏈的折疊鏈被逐漸打開并拉直后，片晶在被破壞的過程中發生重結晶，正交晶系部分轉化為更為穩定的六方晶系，由此得到正交晶系和六方晶系共存的分子結晶結構。本發明人進一步研究發現：UHMWPE纖維束在后續的高倍牽伸過程中會發生部分纖維斷裂的原因是在于纖維的分子結晶結構中正交晶系和六方晶系排列不均勻，造成纖維力學性能不均一，纖維局部力學性能較差，在進行高倍牽伸的過程中，纖維易在力學性能較弱的部位發生斷裂，因此難以實現較高倍數的牽伸。?

因此，本發明考慮對凝膠紡絲工藝進行調整，提高凝膠化預取向絲中串晶形成的均勻性，進而提高后續熱牽伸重結晶后形成的正交晶系和六方晶系排列均勻性，最終提高纖維力學性能的均一性，在實現單絲細旦化生產的同時使其擁有高強、高模的優異性能。?

發明內容

本發明解決的技術問題在于提供一種可實現高倍牽伸的凝膠化預取向絲的制備方法和單絲纖度較低力學性能較好的超高分子量聚乙烯纖維。?

有鑒于此，本發明提供一種凝膠化預取向絲條的制備方法，包括：?

將紡絲原液送入雙螺桿擠出機共混擠出，得到第一紡絲溶液，所述第一紡絲溶液的非牛頓指數為0.1～0.8，結構粘度指數為10～50；?

將所述第一紡絲溶液送入紡絲箱體，在噴絲頭處進行5～20倍的牽伸，得到第二紡絲溶液；

將所述第二紡絲溶液速冷固化，得到凝膠化預取向絲條。?

優選的，所述紡絲原液中超高分子量聚乙烯的含量為5wt％～20wt％。?

優選的，所述紡絲原液中超高分子量聚乙烯的含量為8wt％～12wt％。?

優選的，所述第一紡絲溶液的非牛頓指數優選為0.3～0.6，結構粘度指數優選為20～30。?

優選的，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量為3～5×10⁶。?

優選的，所述超高分子量聚乙烯包括重量比為3～8∶1的第一超高分子量聚乙烯和第二超高分子量聚乙烯，所述第一超高分子量聚乙烯的重均分子量為4～5×10⁶，第二超高分子量聚乙烯的重均分子量為3～4×10⁶。?

優選的，所述雙螺桿擠出機的入口溫度為90℃～120℃，中間剪切段溫度為240℃～280℃，出口溫度為280℃～350℃。?