一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：a)将溶剂油和超高分子量聚乙烯粉末混合，得到纺丝原液；b)将步骤a)得到的纺丝原液进行第一次纺制，得到第一纺丝溶液；所述第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.39～0.7，结构粘度指数为19.3～32.5；c)将步骤b)得到的第一纺丝溶液依次进行第二次纺制、喷头牵伸和速冷，得到凝胶化预取向丝束；所述喷头牵伸的倍数为5倍～30倍；d)将步骤c)得到的凝胶化预取向丝束进行热牵伸，得到粗单丝超高分子量聚乙烯纤维；所述热牵伸的倍数为25倍～46.25倍。与现有技术相比，本发明专利技术提供的制备方法得到的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维同时具有非常高的强度和模量，满足作为防弹专用材料的纤维的性能要求。

A kind of coarse monofilament UHMWPE fiber and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用
本专利技术涉及超高分子量聚乙烯纤维
，更具体地说，是涉及一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用。
技术介绍
超高分子量聚乙烯纤维诞生于1979年，是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的第三大高性能纤维。超高分子量聚乙烯纤维以分子结构(-(-CH2-CH2-)n-)十分简单的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为原料，采用新颖的冻胶纺丝方法使纤维形成特殊的聚集态结构，从而使其强度在同等重量时是钢丝的15倍；其关键技术的核心是通过对UHMWPE的缠结点密度控制，解除纺丝溶液内大分子严重缠结，并在冻胶成形过程中保持大分子解缠状态，从而实现冻胶纤维的超倍拉伸，形成以伸直链结晶结构为主的高结晶度、高取向的纤维。自该纤维面世至上世纪90年代，国际上仅有荷兰的DSMDyneema公司和美国Honeywell公司拥有规模生产的技术，但长期以来一直对我国实行技术封锁，如同碳纤维一样这两家公司不向中国出口工艺技术和装备，不向中国市场销售高端产品。荷兰的DSMDyneema公司经过将近40多年的发展已经从最初产业化产品SK25系列逐步推出SK60，SK65，SK75，SK76，SK78，SK90到现在的最高的SK99系列。在性能不断提升的同时，产量不断扩大，在国际市场处于垄断地位。此外，为了更好的占领美洲和亚洲市场，DSMDyneema公司于1994年在美国建立了Dyneema纤维生产线，与日本最大的纺织企业东洋纺(Toyoba)在日本大阪合资建立了Dyneema纤维生产线，目前该公司的Dyneema纤维的产能在10000吨左右。美国的Honeywell公司在前期购买荷兰公司的专利后，投入巨资通过二次开发拥有了自己的专利技术，由Spectra900开始逐步推出了Spectra1000和Spectra2000，目前该公司的产能在3000吨左右。随着应用领域的不断扩展，对于UHMWPE纤维的力学性能要求越来越高。特别是防护材料在其应用领域所占的比例在50％以上，而这一领域大部分为国外的企业所占领。我国自上世纪九十年代末进行UHMWPE纤维的开发及生产以来，基本都采用冻胶纺工艺，尽管近几年通过不断的发展及技术革新，也可生产出类似于DyneemaSK75性能的产品，但受设备精度、生产稳定性及关键技术等条件的限制，产品性能尤其是作为防弹专用材料的纤维仍无法达到强度不小于35cN/dtex、模量不小于1200cN/dtex的水平。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用，本专利技术提供的制备方法得到的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维同时具有非常高的强度和模量，满足作为防弹专用材料的纤维的性能要求。本专利技术提供了一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：a)将溶剂油和超高分子量聚乙烯粉末混合，得到纺丝原液；b)将步骤a)得到的纺丝原液进行第一次纺制，得到第一纺丝溶液；所述第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.39～0.7，结构粘度指数为19.3～32.5；c)将步骤b)得到的第一纺丝溶液依次进行第二次纺制、喷头牵伸和速冷，得到凝胶化预取向丝束；所述喷头牵伸的倍数为5倍～30倍；d)将步骤c)得到的凝胶化预取向丝束进行热牵伸，得到粗单丝超高分子量聚乙烯纤维；所述热牵伸的倍数为25倍～46.25倍。优选的，步骤a)中所述超高分子量聚乙烯粉末的特性粘度为19dl/g～35dl/g，分子量为400万g/mol～900万g/mol，粉末粒径为75μm～100μm，堆积密度为0.4g/cm3～0.5g/cm3。优选的，步骤a)中所述混合的方式为搅拌；所述搅拌的速度为20rpm～80rpm，温度为100℃～120℃，时间为30min～120min。优选的，步骤b)中所述第一次纺制的过程具体为：将步骤a)得到的纺丝原液在双螺杆挤出机中进行剪切、匀混并挤出，得到第一纺丝溶液；所述双螺杆挤出机的螺杆转速为200rpm～300rpm，熔温为280℃～330℃。优选的，步骤c)中所述第二次纺制的过程具体为：将步骤b)得到的第一纺丝溶液经喷丝板挤出，得到第二纺丝液；所述喷丝板上喷丝孔的孔径为0.8mm～2mm，长径比为(13～15)：1。优选的，步骤c)中所述速冷的时间为0.1s～0.3s，温差为255℃～305℃。优选的，步骤d)中所述热牵伸的过程具体为：d1)将步骤c)得到的凝胶化预取向丝束静置后，依次进行预牵伸、萃取和干燥，得到干凝胶丝；所述预牵伸的倍数为3.1倍～6.1倍；d2)将步骤d1)得到的干凝胶丝依次进行正牵伸和负牵伸，得到粗单丝超高分子量聚乙烯纤维。优选的，步骤d2)中所述正牵伸包括三级牵伸；所述第一级牵伸的温度为121℃～130℃，倍数为3.5倍～5倍；所述第二级牵伸的温度为131℃～140℃，倍数为1.2倍～1.8倍；所述第三级牵伸的温度为141℃～150℃，倍数为1.3倍～1.4倍；所述负牵伸的温度为95℃～105℃，倍数为0.89倍～0.91倍。本专利技术还提供了一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，由上述技术方案所述的制备方法制备得到。本专利技术还提供了一种上述技术方案所述的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维作为防弹专用材料的应用。本专利技术提供了一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：a)将溶剂油和超高分子量聚乙烯粉末混合，得到纺丝原液；b)将步骤a)得到的纺丝原液进行第一次纺制，得到第一纺丝溶液；所述第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.39～0.7，结构粘度指数为19.3～32.5；c)将步骤b)得到的第一纺丝溶液依次进行第二次纺制、喷头牵伸和速冷，得到凝胶化预取向丝束；所述喷头牵伸的倍数为5倍～30倍；d)将步骤c)得到的凝胶化预取向丝束进行热牵伸，得到粗单丝超高分子量聚乙烯纤维；所述热牵伸的倍数为25倍～46.25倍。与现有技术相比，本专利技术提供的制备方法通过控制第一纺丝溶液的非牛顿指数和结构粘度指数，配合后续先放大牵伸倍数、再缩小牵伸倍数的工艺条件，在保证产品满足粗单丝要求的基础上，显著提高成品纤维的力学性能；得到的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维同时具有非常高的强度和模量，满足作为防弹专用材料的纤维的性能要求。实验结果表明，本专利技术提供的制备方法得到的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的单丝纤度大于3D，强度在36cN/dtex以上，模量在1300cN/dtex以上。此外，本专利技术提供的制备方法效率高且稳定性好，适合大规模生产。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：a)将溶剂油和超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：/na)将溶剂油和超高分子量聚乙烯粉末混合，得到纺丝原液；/nb)将步骤a)得到的纺丝原液进行第一次纺制，得到第一纺丝溶液；所述第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.39～0.7，结构粘度指数为19.3～32.5；/nc)将步骤b)得到的第一纺丝溶液依次进行第二次纺制、喷头牵伸和速冷，得到凝胶化预取向丝束；所述喷头牵伸的倍数为5倍～30倍；/nd)将步骤c)得到的凝胶化预取向丝束进行热牵伸，得到粗单丝超高分子量聚乙烯纤维；/n所述热牵伸的倍数为25倍～46.25倍。/n

【技术特征摘要】
1.一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
a)将溶剂油和超高分子量聚乙烯粉末混合，得到纺丝原液；
b)将步骤a)得到的纺丝原液进行第一次纺制，得到第一纺丝溶液；所述第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.39～0.7，结构粘度指数为19.3～32.5；
c)将步骤b)得到的第一纺丝溶液依次进行第二次纺制、喷头牵伸和速冷，得到凝胶化预取向丝束；所述喷头牵伸的倍数为5倍～30倍；
d)将步骤c)得到的凝胶化预取向丝束进行热牵伸，得到粗单丝超高分子量聚乙烯纤维；
所述热牵伸的倍数为25倍～46.25倍。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述超高分子量聚乙烯粉末的特性粘度为19dl/g～35dl/g，分子量为400万g/mol～900万g/mol，粉末粒径为75μm～100μm，堆积密度为0.4g/cm3～0.5g/cm3。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述混合的方式为搅拌；所述搅拌的速度为20rpm～80rpm，温度为100℃～120℃，时间为30min～120min。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述第一次纺制的过程具体为：
将步骤a)得到的纺丝原液在双螺杆挤出机中进行剪切、匀混并挤出，得到第一纺丝溶液；所述双螺杆挤出机的螺杆转速为200rpm～300rpm，熔温为280℃～330℃。

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【专利技术属性】
技术研发人员：贺鹏，黄兴良，夏文，林风琦，黄姝睿，
申请(专利权)人：北京同益中新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11