CN114855293A - 一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法及其应用 - Google Patents

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CN114855293A CN202210431119.9A CN202210431119A CN114855293A CN 114855293 A CN114855293 A CN 114855293A CN 202210431119 A CN202210431119 A CN 202210431119A CN 114855293 A CN114855293 A CN 114855293A
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Abstract

本发明提供一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，具体包括以下步骤：步骤一：超高分子聚乙烯纤维原料的制备；步骤二：原料的混练搅拌；步骤三：物料的纺丝分置；步骤四：物料挤压成丝处理；步骤五：聚乙烯纤维丝的萃取；步骤六：萃取剂祛除烘干；步骤七：聚乙烯纤维丝的加热牵伸等；该超高分子聚乙烯纤维材料在文物保护中的应用，包括文物保护超高分子聚乙烯纤维膜，柔性薄膜压力传感器，电路导线，预警壳，电池片，增大蜂鸣器，增大蜂鸣器；柔性薄膜振动器，水平传感器和后台报警。本发明文物专用超高分子聚乙烯纤维的耐冲击性能好，比能量吸收大，能够有效的防止异物刺穿，对文物起到有效的保护作用。

Description

一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法及其应用
技术领域
本发明属于文物保护技术领域，尤其涉及一种文物专用超高分子 聚乙烯纤维材料制备方法及其应用。
背景技术
文物是人类在历史发展过程中遗留下来的遗物、遗迹。各类文物 从不同的侧面反映了各个历史时期人类的社会活动、社会关系、意识 形态以及利用自然、改造自然和当时生态环境的状况，是人类宝贵的 历史文化遗产。文物的保护管理和科学研究，对于人们认识自己的历 史和创造力量，揭示人类社会发展的客观规律，认识并促进当代和未 来社会的发展，具有重要的意义。保护管理和科学研究是相互联系、 相互促进、相辅相成的，是一项系统的综合性科学。
文物保护，指的是对具有历史价值、文化价值、科学价值的历史 遗留物采取的一系列防止其受到损害的措施，这个过程叫做文物保 护。所以总结起来,文物保护的意义从狭义上讲就是通过延长文物本 体的寿命从而尽可能长的保护其上赋存的各类信息,为我们了解古代 人类的活动奠定基础。在广义上,文物保护或者说文化遗产保护的意 义是为了现代和未来的人,即所有与文化遗产有关的利益相关者的福 祉。因为它不仅肩负着为我们和子孙后代延长文化遗产寿命的重任, 同时还要将提取、研究、保护文物的信息,与向公众展示和解释这些 信息结合起来,最终服务于整个社会。
超高分子量聚乙烯纤维(英文全称：Ultra High Molecular WeightPolyethylene Fiber，简称UHMWPEF)，又称高强高模聚乙 烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，其分子量在 100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。中国是化纤大国，但不是化 纤强国，据专家介绍和有关部门统计，中国的高性能特种纤维的产量 仅为世界产量的百分之一。当今世界三大高性能纤维是：芳纶、 碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维，当前中国由于技术问题芳纶仅有小 量生产；碳纤维尚处在试验和初级生产阶段，产品只能应用在耐磨填 料等领域；超高分子量聚乙烯纤维在1994年同益中突破关键性生产 技术以来，现已经在国内形成多个超高分子量聚乙烯纤维产业化生产 基地。据报道，美国超高分子量聚乙烯纤维70％用于防弹衣、防弹头 盔、军用设施和设备的防弹装甲、航空航天等军事领域，而高性能纤 维的发展是一个国家综合实力的体现，是建设现代化强国的重要物资基础。当前，以国家已经大力支持与加速发展我国的超高分子量聚 乙烯纤维的生产与应用，国产UHMWPE纤维已经在全世界占用举足轻 重的地位。
另外，中国专利公开号为CN108300244A，发明创造名称为一种 文物保护用紫外光固化聚氨酯涂料的制备方法，本发明通过制备得糯 米浆液，成膜液，再经紫外线吸收剂和过硫酸铵置于烧杯中反应得磺 化改性成膜液，最后得基体液。将1，4丁二醇添加至基体液中反应 得混合液，对混合液中滴加丙酮，得改性混合液，最终经改性混合液、 改性成膜液和乙二胺搅拌混合，保温反应后冷却至室温，即可制备得 一种文物保护用紫外光固化聚氨酯涂料。
文物封装保护材料普遍存在的不便于根据文物体型不同进行裁 剪覆盖，容易被刺穿抗压强度较低的问题。
由鉴于此，发明一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法 及其应用是非常必要的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种文物专用超高分子聚乙 烯纤维材料制备方法及其应用，能够对文物本身起到有效的防压、防 刺破的保护作用，制备方法简单，易于生产，利于推广使用。
一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，具体包括以下 步骤：
步骤一：超高分子聚乙烯纤维原料的制备；
步骤二：原料的混练搅拌；
步骤三：物料的纺丝分置；
步骤四：物料挤压成丝处理；
步骤五：聚乙烯纤维丝的萃取；
步骤六：萃取剂祛除烘干；
步骤七：聚乙烯纤维丝的加热牵伸；
步骤八：文物专用聚乙烯纤维丝的卷绕成型；
步骤九：文物专用材料的纺织成型。
优选的，在步骤一中，所述的超高分子聚乙烯纤维原料主要为超 高分子量聚乙烯粉末和超高分子量聚乙烯溶剂；所述的超高分子量聚 乙烯溶剂为白油、石蜡油、十氢化萘、矿物油中的一种或者几种；溶 剂的粘度在40℃下为40～100Cst。
优选的，在步骤二中，将步骤一中的原料加入到螺杆挤压机对物 料起着输送—搅拌—加热—加压等作用。首先，进入“螺杆”之前的 浆料要脱泡，不能含有水汽，物料在输送过程中，要得到充分的混练 搅拌。各区的加热温度，要结合螺杆上捏合块的位置加以设定，并且 要保证一定的输送压力。
优选的，在步骤二中，所述的高速剪切搅拌的速度为1000～ 3000r/min，搅拌时间为3～6h，混合均匀，温度110～280℃，得到 质量浓度为5％～10.5％的纺丝溶液。
优选的，在步骤三中，将步骤二中的纺丝溶液注入到纺丝箱中， 纺丝箱的作用主要是保温；控温；均匀的将物料分配到每一个纺丝组 件；所述的纺丝温度为230～280℃，具体为250℃，在纺丝步骤之后， 将纺丝所得凝胶丝进行萃取和热牵伸得到复合纤维。
优选的，在步骤四中，紧接着将步骤三中的物料由计量泵将物料 挤压变为丝条，就是通过喷丝板实现的，板的孔径大小及刨面形状是 它的重要技术参数；所述的超高分子量聚乙烯纤维为(100～ 10000)D/(50～1000)f范围内超高分子量聚乙烯纤维中的一种或两种 以上。
优选的，在步骤五中，所述的主要是将丝条中大量的溶剂萃取、 置换出来，从而得到“纯”度的高强度聚乙烯纤维，从纺丝到萃取这 一工段中，丝条随机不断的拉伸，从外观上看，由粗变细，由半透明 到半乳白，丝的可拉伸性也逐渐提高，有了一点“强度”。若从丝的 内部看，原料的分子结构并无大的变化，大分子之间没有定向排列， 还是处在无序状态，分子之间被大量的溶剂包裹隔离着，不能形成分 子链，若分子链形不成，丝也就不可能有真正的强力。
优选的，在步骤六中，所述的干燥工序，主要目的是将粘于丝条 上的萃取剂祛除烘干，以备牵伸之用；所述的干燥温度控制在40～ 60℃，烘干时间控制30-60分钟。
优选的，在步骤七中，所述的聚乙烯纤维丝的加热牵伸必须采取 多级牵伸方式，才能达到高强、高模的特性。每一级欠牵伸过程中， 分子间结构都有很大的变化。随着拉伸，大分子间由无序状向有序状， 定向排列，结晶度也随之逐渐提高。只有在纤维的大分子沿纤维轴向 的取向度提高，大分子链产生的数量就多，抱合力就越大，纤维的强 力自然也就越高；所述的加热温度不超过摄氏温度155度。
优选的，在步骤八中，所述的文物专用聚乙烯纤维丝所制得的高 韧性高强聚乙烯纤维纤度在100～10000D、断裂伸长率在2.2～5.3％ 和纤维断裂比功在0.001～1N/tex，有利于超高分子量聚乙烯纤维制 品在要求高耐磨及高力学强度领域的使用；所述的丝卷成型的要求： 丝筒无塌边，无毛边，丝束要定长，定重。所谓定长、定重，决不是 简单的指，对丝束长度、重量的要求，它的内涵很深，若能准确把握， 是非常困难的。它是在要求，所有的生产工序必须很正常、很稳定， 纤维的纤度只有始终均匀一致，才能有所保障。
优选的，在步骤九中，所述的将步骤八中文物专用聚乙烯纤维丝 进行纺织成布料，根据文物体型种类不同进行裁剪缝制即可。
另外，该一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料在文物保护中的 应用，包括文物保护超高分子聚乙烯纤维膜，柔性薄膜压力传感器， 电路导线，预警壳，电池片和增大蜂鸣器，所述的柔性薄膜压力传感 器镶嵌在文物保护超高分子聚乙烯纤维膜的内部两端位置；所述的电 路导线镶嵌在文物保护超高分子聚乙烯纤维膜的内部并将柔性薄膜 压力传感器和预警壳相连接；所述的预警壳缝接在文物保护超高分子 聚乙烯纤维膜；所述的电池片镶嵌在预警壳的内部右侧位置；所述的 增大蜂鸣器镶嵌在预警壳的前部中间位置。
优选的，所述的柔性薄膜压力传感器的响应时间小于5ms，能承 受重复按压100万次以上；所述的电路导线外层为柔性耐弯折的纳米 塑料层。
优选的，所述的文物保护超高分子聚乙烯纤维膜的内部两侧还设 置有柔性薄膜振动器，水平传感器和后台报警；所述的柔性薄膜振动 器和水平传感器与后台报警相电性连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在文物放置在展柜内可能由于外力等原因导致展陈台面发生水 平变化，其后果一是文物放置面不稳定，文物有倾覆风险；二是有可 能造成文物拴绑线受力不匀，突然应力作用下绷断失效。
该文物专用超高分子聚乙烯纤维材料用于文物的水平情况监测： 文物保护超高分子聚乙烯纤维膜的内部两侧还设置有柔性薄膜振动 器，水平传感器和后台报警；超高分子聚乙烯织物在使用时平置在文 物下方，在展柜受到外力和发生倾斜时，柔性薄膜压力传感器监测并 传送信息至后台报警器，通知工作人员赴现场查看。
本发明文物专用超高分子聚乙烯纤维的耐冲击性能好，比能量吸 收大，能够有效的防止异物刺穿，对文物起到有效的保护作用，并能 够根据文物类型的不同进行裁剪使用。
本发明在应用中配合柔性薄膜压力传感器和增大蜂鸣器的设置， 有效的在文物保护过程中对文物受到的压力进行预警，提高防护效 果。
附图说明
图1是本发明的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法 流程图。
图2是本发明的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料的应用之一 的剖视结构图。
图3是本发明的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料的电阻压力 曲线示意图。
图4是本发明的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料的量程电阻 倒数曲线示意图。
图中：1、文物保护超高分子聚乙烯纤维膜；2、柔性薄膜压力传 感器；3、电路导线；4、预警壳；5、电池片；6、增大蜂鸣器；7、 柔性薄膜振动器；8、水平传感器；9、后台报警。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
图中：
实施例1：
如附图1所示，一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方 法，具体包括以下步骤：
S101：超高分子聚乙烯纤维原料的制备；
S102：原料的混练搅拌；
S103：物料的纺丝分置；
S104：物料挤压成丝处理；
S105：聚乙烯纤维丝的萃取；
S106：萃取剂祛除烘干；
S107：聚乙烯纤维丝的加热牵伸；
S108：文物专用聚乙烯纤维丝的卷绕成型；
S109：文物专用材料的纺织成型。
上述实施例中，具体的，在S101，所述的超高分子聚乙烯纤维 原料主要为超高分子量聚乙烯粉末和超高分子量聚乙烯溶剂；所述的 超高分子量聚乙烯溶剂为白油、石蜡油、十氢化萘、矿物油中的一种 或者几种；溶剂的粘度在40℃下为40～100Cst。
上述实施例中，具体的，在S102中，将步骤一中的原料加入到 螺杆挤压机对物料起着输送—搅拌—加热—加压等作用。首先，进入 “螺杆”之前的浆料要脱泡，不能含有水汽，物料在输送过程中，要 得到充分的混练搅拌。各区的加热温度，要结合螺杆上捏合块的位置 加以设定，并且要保证一定的输送压力。
上述实施例中，具体的，在S102中，所述的高速剪切搅拌的速 度为1000～3000r/min，搅拌时间为3～6h，混合均匀，温度110～ 280℃，得到质量浓度为5％～10.5％的纺丝溶液。
上述实施例中，具体的，在S103中，将步骤二中的纺丝溶液注 入到纺丝箱中，纺丝箱的作用主要是保温；控温；均匀的将物料分配 到每一个纺丝组件；所述的纺丝温度为230～280℃，具体为250℃， 在纺丝步骤之后，将纺丝所得凝胶丝进行萃取和热牵伸得到复合纤 维。
上述实施例中，具体的，在S104中，紧接着将步骤三中的物料 由计量泵将物料挤压变为丝条，就是通过喷丝板实现的，板的孔径大 小及刨面形状是它的重要技术参数；所述的超高分子量聚乙烯纤维为 (100～10000)D/(50～1000)f范围内超高分子量聚乙烯纤维中的一种 或两种以上。
上述实施例中，具体的，在S105中，所述的主要是将丝条中大 量的溶剂萃取、置换出来，从而得到“纯”度的高强度聚乙烯纤维， 从纺丝到萃取这一工段中，丝条随机不断的拉伸，从外观上看，由粗 变细，由半透明到半乳白，丝的可拉伸性也逐渐提高，有了一点“强度”。若从丝的内部看，原料的分子结构并无大的变化，大分子之间 没有定向排列，还是处在无序状态，分子之间被大量的溶剂包裹隔离 着，不能形成分子链，若分子链形不成，丝也就不可能有真正的强力。
上述实施例中，具体的，在S106中，所述的干燥工序，主要目 的是将粘于丝条上的萃取剂祛除烘干，以备牵伸之用；所述的干燥温 度控制在40～60℃，烘干时间控制30-60分钟。
上述实施例中，具体的，在S107中，所述的聚乙烯纤维丝的加 热牵伸必须采取多级牵伸方式，才能达到高强、高模的特性。每一级 欠牵伸过程中，分子间结构都有很大的变化。随着拉伸，大分子间由 无序状向有序状，定向排列，结晶度也随之逐渐提高。只有在纤维的 大分子沿纤维轴向的取向度提高，大分子链产生的数量就多，抱合力 就越大，纤维的强力自然也就越高；所述的加热温度不超过摄氏温度 155度。
上述实施例中，具体的，在S108中，所述的文物专用聚乙烯纤 维丝所制得的高韧性高强聚乙烯纤维纤度在100～10000D、断裂伸长 率在2.2～5.3％和纤维断裂比功在0.001～1N/tex，有利于超高分子 量聚乙烯纤维制品在要求高耐磨及高力学强度领域的使用；所述的丝 卷成型的要求：丝筒无塌边，无毛边，丝束要定长，定重。所谓定长、 定重，决不是简单的指，对丝束长度、重量的要求，它的内涵很深， 若能准确把握，是非常困难的。它是在要求，所有的生产工序必须很 正常、很稳定，纤维的纤度只有始终均匀一致，才能有所保障。
上述实施例中，具体的，在S109中，所述的将步骤八中文物专 用聚乙烯纤维丝进行纺织成布料，根据文物体型种类不同进行裁剪缝 制即可。
另外，该一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料在文物保护中的 应用，包括文物保护超高分子聚乙烯纤维膜1，柔性薄膜压力传感器 2，电路导线3，预警壳4，电池片5和增大蜂鸣器6，所述的柔性薄 膜压力传感器2镶嵌在文物保护超高分子聚乙烯纤维膜1的内部两端 位置；所述的电路导线3镶嵌在文物保护超高分子聚乙烯纤维膜1的 内部并将柔性薄膜压力传感器2和预警壳4相连接；所述的预警壳4 缝接在文物保护超高分子聚乙烯纤维膜1；所述的电池片5镶嵌在预 警壳4的内部右侧位置；所述的增大蜂鸣器6镶嵌在预警壳4的前部 中间位置。
上述实施例中，具体的，所述的柔性薄膜压力传感器2的响应时 间小于5ms，能承受重复按压100万次以上；所述的电路导线3外层 为柔性耐弯折的纳米塑料层。
上述实施例中，具体的，所述的文物保护超高分子聚乙烯纤维膜 1的内部两侧还设置有柔性薄膜振动器7，水平传感器8和后台报警 9；所述的柔性薄膜振动器7和水平传感器8与后台报警9相电性连 接。
如下附图3和附图4所示，柔性薄膜压力传感器2的力敏特性， 输出阻值与多种因素有关，例如接触面积、测试仪器等。上述提供的 图表数据仅供参考，建议用户根据实际运用场景进行标定，以获得更 精准的测量结果。
在文物放置在展柜内可能由于外力等原因导致展陈台面发生水 平变化，其后果一是文物放置面不稳定，文物有倾覆风险；二是有可 能造成文物拴绑线受力不匀，突然应力作用下绷断失效。
该文物专用超高分子聚乙烯纤维材料用于文物的水平情况监测： 文物保护超高分子聚乙烯纤维膜的内部两侧还设置有柔性薄膜振动 器，水平传感器和后台报警；超高分子聚乙烯织物在使用时平置在文 物下方，在展柜受到外力和发生倾斜时，柔性薄膜压力传感器监测并 传送信息至后台报警器，通知工作人员赴现场查看。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例 或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一 个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须 针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料 或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此 外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描 述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组 合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上 述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技 术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和 变型。

Claims (10)

1.一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，该文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：超高分子聚乙烯纤维原料的制备；
步骤二：原料的混练搅拌；
步骤三：物料的纺丝分置；
步骤四：物料挤压成丝处理；
步骤五：聚乙烯纤维丝的萃取；
步骤六：萃取剂祛除烘干；
步骤七：聚乙烯纤维丝的加热牵伸；
步骤八：文物专用聚乙烯纤维丝的卷绕成型；
步骤九：文物专用材料的纺织成型。
2.如权利要求1所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述的超高分子聚乙烯纤维原料主要为超高分子量聚乙烯粉末和超高分子量聚乙烯溶剂；所述的超高分子量聚乙烯溶剂为白油、石蜡油、十氢化萘、矿物油中的一种或者几种；溶剂的粘度在40℃下为40～100Cst。
3.如权利要求1所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，在步骤二中，将步骤一中的原料加入到螺杆挤压机对物料起着输送—搅拌—加热—加压等作用。首先，进入“螺杆”之前的浆料要脱泡，不能含有水汽，物料在输送过程中，要得到充分的混练搅拌。各区的加热温度，要结合螺杆上捏合块的位置加以设定，并且要保证一定的输送压力。
4.如权利要求1所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述的高速剪切搅拌的速度为1000～3000r/min，搅拌时间为3～6h，混合均匀，温度110～280℃，得到质量浓度为5％～10.5％的纺丝溶液。
5.如权利要求1所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，在步骤三中，将步骤二中的纺丝溶液注入到纺丝箱中，纺丝箱的作用主要是保温；控温；均匀的将物料分配到每一个纺丝组件；所述的纺丝温度为230～280℃，具体为250℃，在纺丝步骤之后，将纺丝所得凝胶丝进行萃取和热牵伸得到复合纤维。
6.如权利要求1所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，在步骤四中，紧接着将步骤三中的物料由计量泵将物料挤压变为丝条，就是通过喷丝板实现的，板的孔径大小及刨面形状是它的重要技术参数；所述的超高分子量聚乙烯纤维为(100～10000)D/(50～1000)f范围内超高分子量聚乙烯纤维中的一种或两种以上。
7.如权利要求1所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，在步骤六中，所述的干燥工序，主要目的是将粘于丝条上的萃取剂祛除烘干，以备牵伸之用；所述的干燥温度控制在40～60℃，烘干时间控制30-60分钟l，400μg/m。
8.如权利要求1所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，在步骤八中，所述的文物专用聚乙烯纤维丝所制得的高韧性高强聚乙烯纤维纤度在100～10000D、断裂伸长率在2.2～5.3％和纤维断裂比功在0.001～1N/tex，有利于超高分子量聚乙烯纤维制品在要求高耐磨及高力学强度领域的使用；所述的丝卷成型的要求：丝筒无塌边，无毛边，丝束要定长，定重。
9.如权利要求1所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料制备方法，其特征在于，该一种文物专用超高分子聚乙烯纤维材料在文物保护中的应用，包括文物保护超高分子聚乙烯纤维膜(1)，柔性薄膜压力传感器(2)，电路导线(3)，预警壳(4)，电池片(5)和增大蜂鸣器(6)，所述的柔性薄膜压力传感器(2)镶嵌在文物保护超高分子聚乙烯纤维膜(1)的内部两端位置；所述的电路导线(3)镶嵌在文物保护超高分子聚乙烯纤维膜(1)的内部并将柔性薄膜压力传感器(2)和预警壳(4)相连接；所述的预警壳(4)缝接在文物保护超高分子聚乙烯纤维膜(1)；所述的电池片(5)镶嵌在预警壳(4)的内部右侧位置；所述的增大蜂鸣器(6)镶嵌在预警壳(4)的前部中间位置。
10.如权利要求9所述的文物专用超高分子聚乙烯纤维材料在文物保护中的应用，其特征在于，所述的柔性薄膜压力传感器(2)的响应时间小于5ms，能承受重复按压100万次以上；所述的电路导线(3)外层为柔性耐弯折的纳米塑料层；所述的文物保护超高分子聚乙烯纤维膜(1)的内部两侧还设置有柔性薄膜振动器(7)，水平传感器(8)和后台报警(9)；所述的柔性薄膜振动器(7)和水平传感器(8)与后台报警(9)相电性连接。
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