CN113400691A - 高性能超高分子量聚乙烯带材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能超高分子量聚乙烯带材及其制备方法，包括：将原料纤维退卷绕后同向平铺为具有一定幅宽的纤维束；纤维束预处理；施加预张力，同时喂入转动的对压辊或平板，在压力和温度条件下进行表面粘接；对料带进行固化，切边、卷绕成型，得到高性能超高分子量聚乙烯带材。与现有技术相比，本发明将具备一定力学强度的UHMWPE纤维束平铺开来并施加一定的外张力，通过加热熔融、溶剂溶解等过程使其表面分子链活动，相互缠结后进行定型，最终形成具有一定幅宽与厚度的UHMWPE带材，在最大程度保留了纤维原有的力学强度的同时，提升横向的剥裂强度。
Description
技术领域
本发明涉及高性能特种纤维材料制备领域，尤其是涉及一种高性能超高分子量聚乙烯带材及其制备方法。
背景技术
UHMWPE纤维是目前已工业化纤维材料中比强度最高的纤维材料，是世界三大高性能纤维之一。得益于UHMWPE超高的分子量和较窄的分子量分布，UHMWPE纤维材料具有优异的力学性能、耐磨性、耐化学腐蚀性能，同时具有质轻、导热系数高等特性，使其在国防军事、航空航天、海洋工程、民用防护领域都有广泛的应用。
以往的制备方法中，UD材料采用传统的工艺技术，先制备800D/1200D/1600D粗旦纤维，然后将纤维经纬铺展开，通过上胶等形式制备无纬布(UD)或宽幅纤维。制得的宽幅纤维，纤维间完全依靠胶水粘合。然而由该技术制备的复合无纬布，由于其作为基体的胶粘剂自身的缺点，使得复合无纬布的综合性能受到影响，体现在耐热性差，综合机械强度也较差，蠕变严重，由其制成的UHMWPE纤维复合无纬布，不能有效地“钝化”子弹的冲击力，只能通过增加无纬布层数来达到防弹效果，但这样又会引起增加一般战士、警察使用时的负荷。因此，如何改变UHMWPE纤维复合无纬布的耐热性，使其具有更高的抗冲击性，有效“钝化”子弹的冲击力，已经成为防弹护品研究的必然趋势。
在UD的制备过程中，使用高性能宽幅的带材代替纤维，既保留了UD在MD方向上的强度，同时大幅度提高了单层UD防护材料在横向冲击上的吸收效果，同时也简化了分丝铺丝工序，达到提升工艺稳定性的效果。
美国专利US4916000公开了一种高强高模聚乙烯纤维单取向预浸带的制备方法，在该专利中，将纤维束通过两根展丝辊铺展，然后在铺展好的纤维上喷涂合适的胶粘剂，干燥得到单取向预浸带。
中国专利CN1291090C公开了一种高强高模聚乙烯纤维单取向预浸带的连续制备方法，在该专利中，让纤维带上高压静电使纤维均匀铺展，在铺展的纤维上喷涂胶粘剂，将胶粘剂干燥制得单取向预浸带。
中国专利201710458351.0公布了一种无纬布及其制造方法和应用，该发明将高强度纤维进行退绕、集束、分丝、展丝、上胶，然后在上胶后的高强度纤维的至少一侧复合聚乙烯薄膜，干燥后将两层以上带薄膜的单取向片正交复合在一起，得到无纬布，该发明使用胶粘方式制备聚乙烯无纬布，纤维间易剥离。
以上方法均通过胶粘进行粘接，由于单层带材仅在轴向有取向，径向依靠胶水提供强度，受力能力较弱，并不能起到很好的防弹防护作用。
中国专利CN106480600A公布了一种UHMWPE片材的制造方法，通过退绕、集束、排布、展开、上胶、干燥等过程将纤维丝排列，制成UHMWPE片材(UD布)，该发明解决普通丝束排列问题，仅在排列均匀性上有提高，并未提及纤维间的粘接问题。
中国专利CN110079872A公布了一种宽幅高强高模聚乙烯纤维的制备方法，该发明将纺丝溶液从单排多孔挤出，通过喷丝头熔融合并制备宽幅纤维。该方法制备的纤维带虽可以在径向上提供一定的受力，但由于挤出过程轴向取向不充分，实际力学强度也有一定的损失。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能超高分子量聚乙烯带材及其制备方法，将具备一定力学强度的UHMWPE纤维束平铺开来并施加一定的外张力，通过加热熔融、溶剂溶解等过程使其表面分子链活动，相互缠结后进行定型，最终形成具有一定幅宽与厚度的UHMWPE带材，在最大程度保留了纤维原有的力学强度的同时，提升横向的剥裂强度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本技术方案的第一个目的是保护一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，包括以下步骤：
S1：将原料纤维退卷绕后同向平铺为具有一定幅宽的纤维束；
S2：对S1中得到的纤维束进行预处理；
S3：对S2中预处理后的纤维束施加预张力，同时喂入转动的对压辊或平板，在压力下进行表面粘接；
S4：对S3中表面粘接后的料带进行固化，切边、卷绕成型，得到高性能超高分子量聚乙烯带材。
本技术方案的制备过程可以是连续进行的，也可以是间歇分批次进行的。
进一步地，S1中所述原料纤维为超高分子量聚乙烯单丝或复丝或两种的混合；
S1中所述原料纤维的旦数为0.1D～5000D，力学强度为10～60cN/dtex。
进一步优选地，所用纤维原料的单丝旦数为1～2D，力学强度为30～40cN/dtex。
进一步地，S1中所述同向平铺的平铺幅宽为0～15m，厚度为0.1～1mm。
进一步地，S2中所述预处理为除静电、预热、液体浸润、气体吹扫等中的一种或多种的组合。
进一步地，S3中纤维预张力为纤维可承受最大张力的0％～90％，优选为5％～75％。
进一步地，S3中所述表面粘接方式为高温熔融、溶胀、溶解、交联中的一种或多种的组合，以此使得纤维表面分子链活动，实现表面分子链相互缠结。为避免纤维铺展后因电荷作用导致的分布不均、薄厚不均等，可以对纤维进行物理或化学的除静电预处理；对纤维进行预热处理可以大幅降低后续粘结工段的工艺时间；纤维表面进行液体浸润可以是溶剂或非溶剂，一方面可以避免纤维熔后粘结在设备表面，另一方面可以起到表面部分溶胀溶解的效果。
进一步地，S3中所述高温熔融温度为130～200℃，粘接时间大于等于0.1秒，粘结压力大于等于10N。
进一步优选地，高温熔融温度为180～220℃，粘结时间为0.5～3秒。
进一步优选地，表面粘结时施加的压力为5～10KN。
进一步地，S3中所述对压辊包括两只逆向转动且表面光滑的圆柱型辊筒，所述压辊匹配有辊间间隙调节模块，所述辊筒还匹配有辊面温度调节模块，所述辊间间隙调节模块和辊面温度调节模块均与外设的控制终端电连接。
进一步地，所述间隙调节模块包括调节电缸或调节丝杆，通过调节电缸或调节丝杆提供驱动力，实现辊筒间隙的调节，调节过程中提供驱动力的电机均为伺服电机，其与控制终端的计算机电连接，以此实现伺服控制。
进一步地，所述温度调节模块为功率调节器，其与辊筒内部的电加热器连接，并与控制终端的计算机电连接，以此实现加热温度的调控。
进一步地，S4中所述固化的过程为冷却、脱溶剂、辐射固化等方式的一种或多种组合。
进一步地，冷却固化可以采用接触降温，或用气体进行吹扫降温。
进一步地，S4中固化温度小于等于130℃，冷却固化时间大于等于0.1秒。
进一步优选地，冷却固化温度为7～30℃，冷却固化时间为0.5～3秒。
本技术方案的第二个目的是保护一种上述由方法制备的高性能超高分子量聚乙烯带材。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本技术方案将具备一定力学强度的UHMWPE纤维束平铺开来并施加一定的外张力，通过加热熔融、溶剂溶解等过程使其表面分子链活动，相互缠结后进行定型，最终形成具有一定幅宽与厚度的UHMWPE带材，在最大程度保留了纤维原有的力学强度的同时，提升横向的剥裂强度。
2)本技术方案制备的带材幅宽及厚度可调节控制，断裂强度高，模量高，后加工处理方便，可用于制备防弹衣、护臂、凉席、防割袜子、防切割手套等产品，相比于传统聚乙烯纤维及带子生产方法和制品后处理工艺，本技术方案具有制备流程短、工艺简单易操作、后加工方便等特点。
附图说明
图1为本技术方案中制备方法的流程示意图；
图中：1-纤维束；2-压力调节模块；3-上对压辊；4-下对压辊；5-固化定型设备；6-聚乙烯带；7-牵引及收卷设备；8-铺丝设备。
具体实施方式
本发明通过工艺技术创新，最终制得的高性能超高分子量聚乙烯带材，使用成品高性能聚乙烯纤维直接加工制备，最大程度保留纤维原始的力学强度，因此性能优于通过挤出直接制备的聚乙烯带材和通过胶粘成型的带材。
本技术方案制备工艺简单，该带材可直接按照UD需要规格设置宽幅，在UD制作过程中直接可以上机床压制，简化了分丝铺丝等复杂过程，且制备的UD布面密度更加均匀，性能更优。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1:
本技术方案的制备过程可以是连续进行的，也可以是间歇分批次进行的，参见图1，其中：
S1将原料纤维退卷绕后采用铺丝设备8同向平铺为具有一定幅宽的纤维束1；
S2：对S1中得到的纤维束1进行预处理；
S3：对S2中预处理后的纤维束1施加预张力，同时喂入转动的对压辊或平板，根据指令，压力调节模块2对上压辊3、下对压辊4之间的间隙-进行适应性调节，在压力下进行表面粘接；
S4：通过固化定型设备5对S3中表面粘接后的聚乙烯带6进行固化，切边，并通过牵引及收卷设备7卷绕成型，得到高性能超高分子量聚乙烯带材。
其中，以规格400D、强度42cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将20束纤维进行平铺，喂入前将纤维预热到50℃，纤维预张力为纤维可承受最大张力的30％，后以10m/min(粘结时间2秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为150℃，加工压力为1kN，随即在7℃下冷却固化3秒，得到幅宽为0.14m的纤维带材。MD强度为38cN/dtex,TD的剥裂力为50N。
实施例2：
区别于实施例1，以规格200D、强度32cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将50束纤维进行平铺，喂入前将纤维预热到50℃，纤维预张力为纤维可承受最大张力的75％，后以25m/min(粘结时间5秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为150℃，加工压力为1kN，随即在7℃下冷却固化3秒，得到幅宽为0.15m的纤维带材。MD强度为30cN/dtex,TD的剥裂力为30N。
实施例3：
区别于实施例1，以规格1600D、强度38cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将20束纤维进行平铺，喂入前将纤维预热到75℃，纤维预张力为纤维可承受最大张力的30％，后以10m/min(粘结时间2秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为150℃，加工压力为1.2kN，随即在7℃下冷却固化3秒，得到幅宽为0.77m的纤维带材。MD强度为36cN/dtex,TD的剥裂力为60N。
实施例4：
区别于实施例1，以规格800D、强度30cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将200束纤维进行平铺，喂入前将纤维预热到90℃，纤维预张力为纤维可承受最大张力的20％，后以20m/min(粘结时间4秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为175℃，加工压力为1.5kN，随即在7℃下冷却固化2秒，得到幅宽为3.1m的纤维带材。MD强度为20cN/dtex,TD的剥裂力为100N。
实施例5：
区别于实施例1，以规格800D、强度40cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将100束纤维进行平铺，喂入前将纤维预热到110℃，纤维预张力为纤维可承受最大张力的5％，后以20m/min(粘结时间4秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为210℃，加工压力为1.5kN，随即在7℃下冷却固化10秒，得到幅宽为1.85m的纤维带材。MD强度为25cN/dtex,TD的剥裂力为150N。
实施例6：
区别于实施例1，以规格400D、强度42cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将20束纤维进行平铺，纤维预张力为纤维可承受最大张力的30％，喂入前将纤维表面喷淋预浸十氢化萘，后以4m/min(粘结时间8秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为210℃，加工压力为1kN，随即在7℃下冷却固化3秒，在60℃热氮气下吹扫60秒，得到幅宽为0.09m的纤维带材。MD强度为35cN/dtex,TD的剥裂力为220N。
实施例7：
区别于实施例1，以规格400D、强度42cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将20束纤维进行平铺，纤维预张力为纤维可承受最大张力的30％，喂入前将纤维表面喷淋预浸十氢化萘，后以2m/min(粘结时间16秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为190℃，加工压力为1kN，随即在7℃下冷却固化3秒，在80℃热氮气下吹扫45秒，得到幅宽为0.11m的纤维带材。MD强度为31cN/dtex,TD的剥裂力为350N。
实施例8：
区别于实施例1，以规格400D、强度42cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将20束纤维进行平铺，喂入前将纤维表面喷淋预浸十氢化萘，后以4m/min(粘结时间8秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为210℃，加工压力为1kN，随即在7℃下冷却固化3秒，在60℃热氮气下吹扫30秒，得到幅宽为0.10m的纤维带材。MD强度为37cN/dtex，TD的剥裂力为220N。
实施例9：
区别于实施例1，以规格400D、强度42cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将20束纤维进行平铺，喂入前将纤维表面预浸50％聚氨酯胶，预热纤维至85℃，后以15m/min(粘结时间3秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为135℃，加工压力为2kN，在60℃空气中吹扫固化，得到幅宽为0.15m的纤维带材。MD强度为40cN/dtex，TD的剥裂力为60N。
对比例1：
区别于实施例1，以规格400D、强度42cN/dtex的UHMWPE作为原丝，将20束纤维进行平铺，喂入前纤维不做处理，后以10m/min(粘结时间2秒)的速度喂入对压辊。设定加工温度为150℃，加工压力为1kN，随即在7℃下冷却固化3秒，得到幅宽为0.15m的纤维带材。MD强度为39cN/dtex,TD的剥裂力为15N。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将原料纤维退卷绕后同向平铺为具有一定幅宽的纤维束；
S2：对S1中得到的纤维束进行预处理；
S3：对S2中预处理后的纤维束施加预张力，同时喂入转动的对压辊或平板，在压力下进行表面粘接；
S4：对S3中表面粘接后的料带进行固化，切边、卷绕成型，得到高性能超高分子量聚乙烯带材。
2.根据权利要求1所述的一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，S1中所述原料纤维为超高分子量聚乙烯单丝或复丝或两种的混合；
S1中所述原料纤维的旦数为0.1D～5000D，力学强度为10～60cN/dtex。
3.根据权利要求1所述的一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，S1中所述同向平铺的平铺幅宽为0～15m，厚度为0.1～1mm。
4.根据权利要求1所述的一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，S2中所述预处理为除静电、预热、液体浸润、气体吹扫等中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，S3中所述表面粘接方式为高温熔融、溶胀、溶解、交联中的一种或多种的组合，以此使得纤维表面分子链活动，实现表面分子链相互缠结。
6.根据权利要求5所述的一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，S3中所述高温熔融温度为130～200℃，粘接时间大于等于0.1秒，粘结压力大于等于10N。
7.根据权利要求1所述的一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，S3中所述对压辊包括两只逆向转动且表面光滑的圆柱型辊筒，所述压辊匹配有辊间间隙调节模块，所述辊筒还匹配有辊面温度调节模块，所述辊间间隙调节模块和辊面温度调节模块均与外设的控制终端电连接。
8.根据权利要求1所述的一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，S4中所述固化的过程为冷却、脱溶剂、辐射固化等方式的一种或多种组合。
9.根据权利要求1所述的一种高性能超高分子量聚乙烯带材制备方法，其特征在于，S4中固化温度小于等于130℃，冷却固化时间大于等于0.1秒。
10.一种如权利要求1至9中任意一项所述方法制备的高性能超高分子量聚乙烯带材。
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