[發明專利]一種抗蠕變的超高分子量聚乙烯纖維及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201110335206.6
• 申請日: 2011-10-28
• 公開（公告）號: CN102505159A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 譚琳;段瑛濤
• 申請（專利權）人: 北京威亞高性能纖維有限公司
• 主分類號: D01D5/06
• 分類號: D01D5/06;D01D1/00;D01F6/04
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于高分子材料制造領域，特別涉及一種抗蠕變性能超強的超高分子量聚乙烯纖維及其制備方法和應用。

背景技術

超高分子量聚乙烯纖維，又稱高強度高模量聚乙烯纖維、高取向度聚乙烯纖維、高性能聚乙烯纖維。超高分子量聚乙烯纖維具有高強度、高模量、高取向度，廣泛用于防彈防護用品、繩索、纜繩、魚網、運動器材的制造。超高分子量聚乙烯纖維是現在比強度最高的商業化高性能纖維。

1979年荷蘭DSM公司的Smith和Lemstra發明了凝膠紡絲法生產超高分子量聚乙烯纖維的工藝，并取得了英國專利GB2042414和GB2051667。1982年美國的AlliedSignal公司也提出了自己的生產超高分子量聚乙烯纖維的專利US4413110。DSM公司于1990年實現了凝膠紡絲法制超高分子量聚乙烯纖維的工業化生產。現在世界上常見的凝膠紡絲法制造超高分子量聚乙烯纖維的主要工藝步驟有：將超高分子量聚乙烯溶于第一溶劑配制成聚乙烯溶液，該溶液由螺桿擠出機擠出，經紡絲箱體噴出后，冷卻凝固成凝膠纖維，用揮發性的第二溶劑萃取出第一溶劑，干燥，超倍數牽伸，最終獲得成品纖維。現在世界上生產工藝主要有兩大類，一類以DSM和東洋紡為代表的干法紡絲法，另一類以Honeywell為代表的濕法紡絲法。兩者的主要區別是采用了不同的溶劑。DSM工藝，采用易揮發的十氫萘溶劑，采用干法紡絲，省去了其后的萃取工段；Honeywell采用石蠟油溶劑，需要后續的萃取工段，用第二溶劑將第一溶劑萃取出來。

一般情況下，作為原料的聚乙烯粉料的特性粘數至少5dL/g，這樣制成的纖維強度至少為25cN/dtex，模量至少為700cN/dtex。原料聚乙烯的相對分子量必須大于100萬，一般為200萬-600萬。

但在現有的超高分子量聚乙烯纖維生產和使用過程中，對于材料的性能，大多著眼于牽伸強度、牽伸模量、線密度等顯而易見的方面，而對于材料的蠕變性能則關注不多。這主要是由于大家對該產品的了解還停留在比較淺顯的階段，而蠕變性能對制品的影響往往要在使用若干年后才能體現出來，對于一種商業應用時間才十來年的新興產品來說，其重要性還未被大多數生產者和使用者所認可。

事實上，蠕變性能對于超高分子量聚乙烯纖維及其制品的使用壽命的影響還是十分重大的，特別是在一些需要持續受力的場合。

蠕變，是指固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象。它與塑性形變不同，塑性變形通常在應力超過彈性極限之后才出現，而蠕變只要應力的作用時間相當長，它在應力小于彈性極限時也能出現。

使蠕變可以產生相當大的變形而所需要的應力卻不一定很大。蠕變隨時間的延續大致分3個階段：①初始蠕變或過渡蠕變，應變隨時間延續而增加，但增加的速度逐漸減慢；②穩態蠕變或定常蠕變，應變隨時間延續而勻速增加，這個階段較長；③加速蠕變，應變隨時間延續而加速增加，直達破裂點。

蠕變隨應力和溫度而變化，應力越大，蠕變的總時間越短；應力越小，蠕變的總時間越長。溫度越高，蠕變的總時間越短；溫度越低，蠕變的總時間越長。

隨著纖維應用技術的進一步發展，部分企業和科研機構已經開始認識到超高分子量聚乙烯纖維的蠕變性能，并對其進行了一些研究。國內外現有文獻包括：

歐洲專利EP1699954中描述了一種改善了耐蠕變性的超高分子量聚乙烯纖維凝膠紡絲法。該方法在傳統超高分子量聚乙烯纖維干法紡絲工藝的基礎上，采用了一種“每1000個碳原子上具有至多3個短C1-C4烷側基(優選甲基)的UHMWPE”粉料。用這種方法生產的纖維，蠕變速率只有1×10^-6/秒，遠遠低于普通超高分子量聚乙烯纖維。但其牽伸強度有所下降，不到普通超高分子量聚乙烯纖維的90％。

國際專利WO2009026215中描述了一種低蠕變超高分子量聚乙烯復合紗線的制備方法。該方法中，明確了這種低蠕變高強度的復合紗線在多種應用領域的重要性，并給出了替代解決方案。但該方案并未解決超高分子量聚乙烯纖維本身的蠕變性能差這一問題，只是用另外一種蠕變性能比較好的纖維(聚芳族酰胺纖維、碳纖維、玻璃纖維聚酯纖維或它們的結合物)與超高分子量聚乙烯纖維混編成紗，從而在一定程度上提高復合紗線的蠕變性能。但由于這種低蠕變的纖維本身牽伸強度遠遠低于超高分子量聚乙烯纖維，因此混編后紗線的牽伸強度也要比純超高分子量聚乙烯纖維紗線差很多。