高性能纤维复合片材制造技术

本发明专利技术涉及一种制造包含高性能聚乙烯纤维和聚合物树脂的复合片材的方法，该方法包括以下步骤：将HPPE纤维组装成片材，将聚合物树脂的水性悬浮液涂覆到HPPE纤维，部分地干燥水性悬浮液，可选地对复合片材施加温度和/或压力处理，其中聚合物树脂是乙烯和/或丙烯的均聚物或共聚物。本发明专利技术还涉及可通过所述方法获得的复合片材以及包含复合片材的制品，例如头盔、雷达罩或防水帆布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高性能纤维复合片材本专利技术涉及一种生产包含高性能聚乙烯纤维和聚合物树脂的复合片材的方法以及这种复合片材。这些复合片材尤其适合用于促进防弹制品的制造，尤其是软质防弹制品(例如用于背心)和模塑的防弹制品(例如用于车辆防护、作战头盔或插入物)。包含高性能聚乙烯纤维和聚合物树脂作为基质材料的复合材料从US4,623,574、US5,766725、US7,211,291和US8,999,866是已知的。US4,623,574公开了通过如下步骤制造防弹片材：交叉铺叠并堆叠包含单向排列的伸展链聚乙烯纤维和基质材料的多个单层，随后将交叉铺叠和堆叠的单层压成片材。US4,623,574的实施例1提到了通过以并行的方式将聚乙烯纤维螺旋地缠绕在圆筒络纱机上来生产单向单层，其中使用KratonD1107溶液涂布单向排列的纤维。将多个由此获得的单向单层堆叠，其中单层中的纤维方向垂直于相邻单层中的纤维方向。将获得的叠层进行压制，随后冷却以提供模塑的防弹制品。对改进的防弹制品一直存在需求，本专利技术人惊讶地发现了一种生产防弹片材的方法，所述防弹片材能够制造具有改进的防弹性能的软质防弹片材或防弹模塑制品。这种改进的防弹性能例如可以表示为在使用时复合材料分层减少，从而导致防弹产品产生的保护增加。优选地，防弹保护可涉及子弹阻止特性、创伤或背面变形的减少或在使用时由分层产生的材料劣化减少。本专利技术的目标是提供一种制造方法并且通过其能够获得的复合材料，所述复合材料至少部分地克服上述问题。本专利技术通过如下步骤解决这个需求：在将高性能聚乙烯(HPPE)纤维组装成组件之前、期间或之后，将包含聚合物树脂的水性悬浮液涂覆到所述高性能聚乙烯(HPPE)纤维；至少部分地干燥涂覆于所述HPPE纤维的聚合物树脂的水性悬浮液，以获得复合片材；在至少部分地干燥悬浮液之前、期间和/或之后，可选地对组件施加在该树脂的熔融温度至153℃范围内的温度，以至少部分地熔融所述聚合物树脂；并且在温度处理之前、期间和/或之后，可选地对至少部分地干燥的复合片材施加压力，以至少部分地压紧复合片材，其中聚合物树脂是乙烯和/或丙烯的均聚物或共聚物，并且其中所述聚合物树脂具有860至930kg/m3范围内的根据ISO1183测定的密度，40至140℃范围内的峰值熔融温度和至少5J/g的熔化热。出乎意料地发现，根据本专利技术的方法制造的复合片材可以显示出改进的分层行为。对于软质防弹制品和模塑防弹制品二者来说，分别通过增加的复合片材的剥离强度和减小的包含复合片材叠层的模塑制品的背面变形证明了这种改进。纤维在此被理解为细长体，其长度尺寸远大于宽度和厚度的横向尺寸。因此，术语“纤维”包括长丝、带、条带、宽带、带材和其它具有规则或不规则横截面的类似物。纤维可以具有连续的长度，在本领域中称为长丝或连续长丝，或者具有不连续的长度，在本领域中称为短纤维。用于本专利技术目的的纱线是含有许多单根纤维的细长体。本文中单根纤维被理解为纤维本身。优选地，本专利技术的HPPE纤维是HPPE带、HPPE长丝或HPPE短纤维。在本专利技术的上下文中，HPPE纤维被理解为具有改进的机械性能(例如拉伸强度、耐磨性、耐切割性等)的聚乙烯纤维。在优选的实施方式中，高性能聚乙烯纤维是拉伸强度至少1.0N/tex、更优选地至少1.5N/tex、更优选地至少1.8N/tex、甚至更优选地至少2.5N/tex且最优选地至少3.5N/tex的聚乙烯纤维。优选的聚乙烯是高分子量(HMWPE)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。当高性能聚乙烯纤维包含超高分子量聚乙烯(UHMWPE)并且具有至少2.0N/tex、更优选地至少3.0N/tex的韧性时，获得最好的结果。优选地，本专利技术的复合片材包含含有高分子量聚乙烯(HMWPE)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)或其组合的HPPE纤维，优选地HPPE纤维基本上由HMWPE和/或UHMWPE组成。专利技术人发现，对于HMWPE和UHMWPE，能够获得最佳的防弹性能。在本专利技术的上下文中，表述“基本上由……组成”具有“可以包含少量的其他物质”的含义，其中少量是指所述其他物质最多5重量％、优选最多2重量％，或者换句话说，‘包含超过95重量％’、优选地‘包含大于98重量％’的HMWPE和/或UHMWPE。在本专利技术的上下文中，聚乙烯(PE)可以是线性或支链的，其中线性聚乙烯是优选的。本文中，线性聚乙烯被理解为指具有每100个碳原子少于1个侧链、优选地每300个碳原子少于1个侧链的聚乙烯；侧链或支链通常包含至少10个碳原子。侧链可以适当地通过FTIR测量。线性聚乙烯还可以包含至多5mol％的一种或多种可与其共聚的其他烯烃，例如丙烯、1-丁烯、1-戊烯、4-甲基戊烯、1-己烯和/或1-辛烯。PE优选地具有特性粘度(IV)至少2dl/g、更优选地至少4dl/g、最优选地至少8dl/g的高分子量。IV超过4dl/g的这种聚乙烯也被称为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。特性粘度是分子量的量度，其可以比实际的摩尔质量参数诸如数均分子量和重均分子量(Mn和Mw)更容易地测定。在根据本专利技术的方法中所使用的HPPE纤维可以通过各种工艺来获得，例如通过熔融纺丝工艺、凝胶纺丝工艺或固态粉末压制工艺。用于生产纤维的一个优选的方法是固态粉末工艺，其包括，将聚乙烯作为粉末进料到环形带的组合之间，在低于其熔点的温度下对聚合物粉末进行压制模塑，使所得到的经压制模塑的聚合物滚动，然后进行固态拉伸。这种方法例如在US5,091,133中描述，其通过引用并入本文。如果需要，在进料和压制模塑聚合物粉末之前，聚合物粉末可以与沸点高于所述聚合物熔点的合适的液体化合物混合。压制模塑也可以通过暂时将聚合物粉末保持在环形带之间同时输送环形带来进行。这可以例如通过提供与环形带相连接的压板和/或辊来完成。生产本专利技术中使用的纤维的另一种优选方法包括，将聚乙烯进料到挤出机，在高于其熔点的温度下挤出模塑制品，并将挤出的纤维在低于其熔融温度下拉伸。如果需要，在将聚合物进料到挤出机之前，聚合物可以与合适的液体化合物混合，例如形成凝胶，例如当使用超高分子量聚乙烯时这是优选的情况。在另一种方法中，本专利技术中使用的纤维通过凝胶纺丝工艺制备。例如在GB-A-2042414、GB-A-2051667、EP0205960A和WO01/73173A1中描述了合适的凝胶纺丝工艺。简而言之，凝胶纺丝工艺包括制备高特性粘度的聚乙烯溶液，在高于溶解温度的温度下将溶液挤出成溶液-纤维，将溶液-纤维冷却至低于凝胶化温度，由此至少部分地使纤维的聚乙烯凝胶化，并在至少部分地除去溶剂之前、期间和/或之后拉伸纤维。在所描述的制备HPPE纤维的方法中，所生产纤维的拉伸、优选地单轴拉伸可以通过本领域已知的方式进行。这种方式包括在合适的拉伸单元上的挤出伸展(extrusionstretching)和拉伸伸展(tensilestretching)。为了获得机械拉伸强度和刚度的增加，拉伸可以在多个步骤中进行。在优选的UHMWPE纤维的情况下，拉伸通常在多个拉伸步骤中单轴地进行。第一拉伸步骤可以例如包括拉伸到至少1.5、优选至少3.0的伸展因子(也称为拉伸比)。多次拉伸通常可以使拉伸温度达到120℃时伸展因子达到9，拉伸温度达到14本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造包含高性能聚乙烯纤维和聚合物树脂的复合片材的方法，其包括以下步骤：a)提供高性能聚乙烯(HPPE)纤维；b)组装所述HPPE纤维以形成片材；c)在组装之前、期间或之后，将所述聚合物树脂的水性悬浮液涂覆到所述HPPE纤维；d)至少部分地干燥在步骤c)中所涂覆的所述聚合物树脂的所述水性悬浮液；以在完成步骤a)、b)、c)和d)之后获得复合片材；e)在步骤d)之前、期间和/或之后，可选地对步骤c)的片材施加在所述树脂的熔融温度至153℃范围内的温度，以至少部分地熔融所述聚合物树脂；并且f)在步骤e)之前、期间和/或之后，可选地对所述复合片材施加压力，以至少部分地压紧所述复合片材，其中所述聚合物树脂是乙烯和/或丙烯的均聚物或共聚物，并且其中所述聚合物树脂具有860至930kg/m

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.09 EP 15189131.41.一种制造包含高性能聚乙烯纤维和聚合物树脂的复合片材的方法，其包括以下步骤：a)提供高性能聚乙烯(HPPE)纤维；b)组装所述HPPE纤维以形成片材；c)在组装之前、期间或之后，将所述聚合物树脂的水性悬浮液涂覆到所述HPPE纤维；d)至少部分地干燥在步骤c)中所涂覆的所述聚合物树脂的所述水性悬浮液；以在完成步骤a)、b)、c)和d)之后获得复合片材；e)在步骤d)之前、期间和/或之后，可选地对步骤c)的片材施加在所述树脂的熔融温度至153℃范围内的温度，以至少部分地熔融所述聚合物树脂；并且f)在步骤e)之前、期间和/或之后，可选地对所述复合片材施加压力，以至少部分地压紧所述复合片材，其中所述聚合物树脂是乙烯和/或丙烯的均聚物或共聚物，并且其中所述聚合物树脂具有860至930kg/m3范围内的根据ISO1183测定的密度，40至140℃范围内的峰值熔融温度和至少5J/g的熔化热。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述HPPE纤维选自带、长丝和短纤维组成的列表。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述HPPE纤维是通过熔融纺丝工艺、凝胶纺丝工艺或固态粉末压制工艺制备的。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中聚合物树脂在所述水性悬浮液中的浓度在4和60wt％之间、优选地在5和50wt％之间、最优选地在6和40wt％之间，其中重量百分数是在水性悬浮液的总重量中聚合物树脂的重量。5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中所述HPPE纤维具有至少1.0N/tex、优选地1.5N/tex、更优选地至少1.8N/tex的韧性。6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其中所述HPPE纤维包含超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，优选地所述HPPE纤维基本上由UH...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁洛夫·梅里森，约翰尼斯·威尔姆斯，伦纳德·尼尔拉伯，
申请(专利权)人：帝斯曼知识产权资产管理有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL