CN111270331B - 一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维技术领域，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。
背景技术
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DSM Dyneema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，DSM Dyneema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Dyneema SK75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。
发明内容
有鉴于此，本发明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，本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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，本发明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，本发明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
下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明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。
本发明首先将溶剂油和超高分子量聚乙烯粉末混合，得到纺丝原液。在本发明中，所述溶剂油优选由70％～95％的含25～50个碳原子的环烷烃和5％～30％的含25～50个碳原子的链烃组成，更优选为由85％～90％的含25～50个碳原子的环烷烃和10％～15％的含25～50个碳原子的链烃组成，更更优选为白油。在本发明中，所述溶剂油能够溶解超高分子量聚乙烯粉末从而得到纺丝原液；本发明对所述溶剂油的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的5#白油、7#白油、10#白油、15#白油、22#白油、26#白油、32#白油、46#白油、68#白油、70#白油、100#白油和150#白油的市售商品即可。在本发明中，所述溶剂油的用量(质量)优选为超高分子量聚乙烯粉末用量(质量)的6倍～19倍，更优选为7倍～17倍。
在本发明中，所述超高分子量聚乙烯粉末的特性粘度优选为19dl/g～35dl/g，更优选为21dl/g～32dl/g，更更优选为28dl/g；所述超高分子量聚乙烯粉末的分子量优选为400万g/mol～900万g/mol，更优选为600万g/mol～800万g/mol，确保成品纤维具有更高的分子量；所述超高分子量聚乙烯粉末的粉末粒径优选为75μm～100μm，比例>78％，Mw/Mn<5，确保粒径分布较为集中，缩小纺丝阶段工艺跨度；所述超高分子量聚乙烯粉末的堆积密度优选为0.4g/cm3～0.5g/cm3，更优选为0.45g/cm3，确保分子链缠结适当，以利于前纺解缠及提高含固量。
在本发明中，所述混合的过程优选还可以加入其它能够提高生产效率及产品性能的添加剂，如本领域技术人员熟知的有利于批量生产及扼制降解的抗氧剂；上述添加剂不影响成品纤维单丝纤度及力学性能。在本发明中，所述抗氧剂的用量(质量)优选为超高分子量聚乙烯粉末用量(质量)的0.1％～2％，更优选为0.5％。
在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌；本发明对所述搅拌的方法没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的人工搅拌或机械搅拌均可。在本发明中，所述搅拌的速度优选为20rpm～80rpm，更优选为50rpm～60rpm；所述搅拌的温度优选为100℃～120℃，更优选为105℃～116℃；所述搅拌的时间优选为30min～120min，更优选为40min～60min。
在本发明中，所述纺丝原液的溶胀率优选为1.1～1.8，更优选为1.3～1.4；所述纺丝原液的粘度优选为1200Pa.s～1800Pa.s，更优选为1419Pa.s～1693Pa.s；本发明针对制备力学性能要求较高的超高分子量聚乙烯纤维，需要将溶胀率适当提高，相应粘度也会提高。
得到所述纺丝原液后，本发明将得到的纺丝原液进行第一次纺制，得到第一纺丝溶液。本发明通过第一次纺制控制第一纺丝溶液的非牛顿指数(n)和结构粘度指数(△η)，其体现了纺丝原液的熔融状态，直接决定了熔体挤出至水浴冷却之间空气隙的可牵伸性，这也间接决定了后续热牵伸过程的可牵伸性及生产稳定性。
在本发明中，所述第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.39～0.7，优选为0.46～0.58；所述第一纺丝溶液的结构粘度指数为19.3～32.5，优选为23.9～30.2。本发明通过控制上述特定范围的非牛顿指数和结构粘度指数，可提高成纤性，从而使后续喷头牵伸的倍数在5倍～30倍之间，而其他范围的非牛顿指数和结构粘度指数会影响第一纺丝溶液的可纺性，从而使喷头牵伸的倍数大幅下降，低于5倍。本发明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。
在本发明中，所述第一次纺制的过程优选具体为：
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。在本发明中，所述双螺杆挤出机的熔温需要控制在合适的温度区间，过高，物料过稀，后续喷头牵伸容易拉断；过低，溶解及大分子解缠不充分，后续可牵伸性较差。在本发明中，所述双螺杆挤出机的螺杆转速优选为200rpm～300rpm，更优选为220rpm～260rpm；所述双螺杆挤出机的熔温优选为280℃～330℃，更优选为300℃～311℃。
得到所述第一纺丝溶液后，本发明将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。在本发明中，所述第二次纺制的过程优选具体为：
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。在本发明中，所述喷丝板上喷丝孔的孔径优选为0.8mm～2mm，更优选为1.2mm；所述喷丝板上喷丝孔的长径比优选为(13～15)：1，更优选为14：1。本发明采用上述特定孔径及长径比的喷丝孔，对于产品的单丝纤度、可牵伸性及力学性能均起到重要作用；更重要的是，特定孔径及长径比的喷丝孔使产品不会因后续喷头牵伸放大牵伸倍数而对成品纤维的单丝纤度产生不良影响。
在本发明中，所述挤出的温度优选为299℃～309℃，更优选为300℃；所述挤出的速率优选为2m/min～10m/min，更优选为3m/min。
得到所述第二纺丝液后，本发明将得到的第二纺丝液依次进行喷头牵伸和速冷，得到凝胶化预取向丝束。在本发明中，所述喷头牵伸的倍数为5倍～30倍，优选为8倍～15倍，更优选为9倍～13倍。本发明先放大牵伸倍数，提高冻胶丝的可纺性，进而可降低后续牵伸倍数，从而在总牵伸倍数满足制备粗单丝成品纤维的基础上，提高生产效率及稳定性；更重要的是，能够配合上述特定范围的非牛顿指数和结构粘度指数的第一纺丝溶液，制备得到力学性能优异的成品纤维。
本发明采用上述特定倍数的喷头牵伸，能够将冻胶丝的干卷重(单位长度中固体PE的重量)控制在12000D以下，干卷重大小体现了喷头牵伸的程度，也决定了后续热牵的倍数；干卷重越大说明喷头牵伸倍数越小，后续热牵伸的倍数需要更大才能得到纤度合适的成品纤维，而本发明提高喷头牵伸的倍数，从而缩小热牵伸的倍数。
在本发明中，所述速冷的时间优选为0.1s～0.3s，更优选为0.2s；所述速冷的温差优选为255℃～305℃，更优选为275℃。本发明采用上述特定倍数的喷头牵伸后，可以保证经过解缠及预取向后的大分子链在凝胶化之前通过高倍预牵伸形成均匀的片晶结构；而通过上述特定时间(时间太短，晶型形成不够完整；时间太长，进一步的牵伸会使晶型受到破坏变得不连续)及温差的速冷过程，能够保存晶型结构。
得到所述凝胶化预取向丝束后，本发明将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。在本发明中，所述热牵伸的倍数为25倍～46.25倍，优选为35倍～45倍，更优选为39.1倍～40.8倍。本发明采用特定倍数的热牵伸，一方面实现了溶剂油的去除，另一方面保证产品满足粗单丝要求且显著提高成品纤维的力学性能。在本发明中，所述特定倍数的热牵伸通过在各个工艺步骤中分配牵伸倍数实现。
在本发明中，所述热牵伸的过程优选具体为：
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；
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。
本发明将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。在本发明中，所述静置的目的是平衡干卷重；所述静置的时间优选为5h～40h，更优选为36h。
在本发明中，所述预牵伸的倍数优选为3.1倍～6.1倍，更优选为3倍～4倍。
本发明对所述萃取的方式没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的碳氢清洗剂进行萃取的技术方案即可。在本发明中，所述萃取过程的牵伸倍数优选为1倍～2.5倍，更优选为1.15倍～2倍。
本发明对所述干燥的方式没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的二级干燥的技术方案即可。在本发明中，所述干燥的温度优选为45℃～60℃，更优选为50℃～55℃。在本发明中，所述干燥过程的牵伸倍数优选为1.2倍～1.25倍，更优选为1.21倍。
本发明采用上述预牵伸、萃取和干燥的过程(热牵伸的第一环节)，能够控制得到的干凝胶丝的含油率在3‰以内，避免PE分子链间在拉伸时因残存的、含量较高的溶剂油而发生滑移，影响晶区形成，且不会显著降低生产速度。
得到所述干凝胶丝后，本发明将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。在本发明中，所述正牵伸优选包括三级牵伸；所述第一级牵伸的温度优选为121℃～130℃，更优选为125℃；所述第一级牵伸的倍数优选为3.5倍～5倍，更优选为4倍～4.6倍；所述第二级牵伸的温度优选为131℃～140℃，更优选为135℃；所述第二级牵伸的倍数优选为1.2倍～1.8倍，更优选为1.46倍～1.57倍；所述第三级牵伸的温度优选为141℃～150℃，更优选为145℃；所述第三级牵伸的倍数优选为1.3倍～1.4倍，更优选为1.35；
在本发明中，所述负牵伸优选为一级牵伸；所述负牵伸的温度优选为95℃～105℃，更优选为100℃；所述负牵伸的倍数优选为0.89倍～0.91倍，更优选为0.9倍。
本发明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，该工艺条件下的总牵伸倍数在370倍以上，从而使成品纤维的力学性能完全可以达标，且保证成品纤维满足粗单丝的单丝纤度要求。
本发明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。在本发明中，所述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，本发明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。
本发明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。本发明提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维可作为防弹专用纤维；防弹专用纤维根据实际应具有以下2个特点：
(1)单丝不能太细以利于展丝及较低的比表面积可降低上胶量单丝纤度>3D；
(2)强度≥35cN/dtex、模量≥1200cN/dtex，可赋予复合材料更好的抗弹性能。由此可知，本发明提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维同时具有上述2个特点，能够作为防弹专用纤维应用。
本发明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，本发明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，本发明提供的制备方法效率高且稳定性好，适合大规模生产。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的超高分子量聚乙烯粉末的特性粘度IV值为28dl/g，分子量为750万g/mol，粉末粒径为75μm～150μm，比例＞78％，Mw/Mn<5，堆积密度BD为0.45g/cm3。
实施例1
(1)向溶胀釜内加入88kg白油并搅拌，随后均匀加入7.1kg超高分子量聚乙烯粉末及35.7g型号为CYANOX2777的抗氧剂，搅拌速度为50rpm，搅拌升温至105℃关闭加热，保温50min，得到纺丝原液；
取样测得纺丝原液的溶胀率为1.33，粘度为1599Pa.s。
(2)将步骤(1)得到的纺丝原液输入双螺杆挤出机进行剪切、匀混并挤出，得到第一纺丝溶液；双螺杆挤出机的螺杆转速为260rpm，熔温为308℃；
取样测得第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.46，结构粘度指数为30.2。
(3)将步骤(2)得到的第一纺丝溶液经过纺丝箱体及喷丝板挤出，在进入冷却水浴之前，得到第二纺丝液；喷丝板上喷丝孔的孔径为1.2mm，长径比为14：1，挤出温度为300℃，挤出速率为3m/min。
(4)将步骤(3)得到的第二纺丝液进行12倍的喷头牵伸并在0.2s内速冷275℃，得到凝胶化预取向丝束(120根)；
取样测得凝胶化预取向丝的干卷重为8721D，结晶度为32％。
(5)将步骤(4)得到的凝胶化预取向丝束收丝后置于盛丝桶内静置36h后，干卷重为15723D；然后将静置处理后的凝胶化预取向丝束进行3.2倍预牵伸后用碳氢清洗剂进行萃取(萃取过程的牵伸倍数为1.15倍)，然后分别经过50℃的第一级干燥和55℃的第二级干燥(干燥过程的牵伸倍数为1.21倍)，得到干凝胶丝；
取样测得干凝胶丝的含油量为0.9‰。
(6)将步骤(5)得到的干凝胶丝进行三级正牵伸(第一级牵伸温度为125℃，牵伸倍数为4.6倍；第二级牵伸温度为135℃，牵伸倍数为1.57倍；第三级牵伸温度为145℃，牵伸倍数为1.35倍)和一级负牵伸(牵伸温度为100℃，牵伸倍数为0.9倍)，得到粗单丝超高分子量聚乙烯纤维；
经计算，热牵伸总倍数(预牵伸倍数×萃取过程的牵伸倍数×干燥过程的牵伸倍数×三级正牵伸倍数×一级负牵伸倍数)为39.1倍，总牵伸倍数(喷头牵伸倍数×热牵伸总倍数)为469.2倍。
经检测，本发明实施例1提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据参见表1所示。
实施例2
采用实施例1提供的制备方法制备粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，区别在于：双螺杆挤出机的熔温为311℃；第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.50，结构粘度指数为23.9。
经检测，本发明实施例2提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据参见表1所示。
实施例3
采用实施例1提供的制备方法制备粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，区别在于：双螺杆挤出机的熔温为316℃；第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.39，结构粘度指数为19.3。
经检测，本发明实施例3提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据参见表1所示。
实施例4
采用实施例1提供的制备方法制备粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，区别在于：得到的第二纺丝液进行10倍的喷头牵伸；并且预牵伸的倍数为3.34倍；即热牵伸总倍数(预牵伸倍数×萃取过程的牵伸倍数×干燥过程的牵伸倍数×三级正牵伸倍数×一级负牵伸倍数)为40.8倍，总牵伸倍数(喷头牵伸倍数×热牵伸总倍数)为408倍。
经检测，本发明实施例4提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据参见表1所示。
对比例1
采用实施例1提供的制备方法制备粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，区别在于：双螺杆挤出机的熔温为326℃；第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.21，结构粘度指数为16.7；得到的第二纺丝液进行5倍的喷头牵伸(根据上述第一纺丝溶液的非牛顿指数和结构粘度指数相应限定)，则总牵伸倍数(喷头牵伸倍数×热牵伸总倍数)为195.5倍。
经检测，对比例1提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据参见表1所示。
对比例2
采用实施例1提供的制备方法制备粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，区别在于：双螺杆挤出机的熔温为304℃；第一纺丝溶液的非牛顿指数为0.68，结构粘度指数为41.7；得到的第二纺丝液进行6倍的喷头牵伸(根据上述第一纺丝溶液的非牛顿指数和结构粘度指数相应限定)，则总牵伸倍数(喷头牵伸倍数×热牵伸总倍数)为234.6倍。
经检测，对比例2提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据参见表1所示。
对比例3
采用实施例1提供的制备方法制备粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，区别在于：得到的第二纺丝液进行5倍的喷头牵伸；并且预牵伸的倍数为4.9倍；即热牵伸总倍数(预牵伸倍数×萃取过程的牵伸倍数×干燥过程的牵伸倍数×三级正牵伸倍数×一级负牵伸倍数)为59.8倍，总牵伸倍数(喷头牵伸倍数×热牵伸总倍数)为299倍。
经检测，对比例3提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据参见表1所示。
对比例4
采用实施例1提供的制备方法制备粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，区别在于：得到的第二纺丝液进行6倍的喷头牵伸；并且预牵伸的倍数为4.3倍，第二级牵伸倍数为1.61倍，第三级牵伸倍数为1.34倍；即热牵伸总倍数(预牵伸倍数×萃取过程的牵伸倍数×干燥过程的牵伸倍数×三级正牵伸倍数×一级负牵伸倍数)为53.4倍，总牵伸倍数(喷头牵伸倍数×热牵伸总倍数)为320.4倍。
经检测，对比例4提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据参见表1所示。
表1实施例1～4及对比例1～4提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的各项性能数据
Figure BDA0001893145650000121
Figure BDA0001893145650000131
由表1可知，本发明实施例1～4提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维的结晶度大于87％，分子量不低于305万g/mol，单丝纤度大于3D，强度在36cN/dtex以上，模量在1300cN/dtex以上；本发明实施例1～4提供的粗单丝超高分子量聚乙烯纤维能够作为TM35防弹专用纤维应用。同时，本发明提供的制备方法效率高且稳定性好，单丝纤度控制在3.3D左右，干凝胶丝在牵伸过程中每18km(3.2kg)丝束断头个数小于3个。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

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；所述正牵伸包括三级牵伸；第一级牵伸的温度为121℃~130℃，倍数为3.5倍~5倍；第二级牵伸的温度为131℃~140℃，倍数为1.2倍~1.8倍；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；
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℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c）中所述速冷的时间为0.1s~0.3s，温差为255℃~305℃。
7.一种粗单丝超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于，由权利要求1~6任一项所述的制备方法制备得到。
8.一种权利要求7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。
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