JP6023700B2

JP6023700B2 - 超高強度ｕｈｍｗｐｅ繊維および製品

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Publication number: JP6023700B2
Application number: JP2013508115A
Authority: JP
Inventors: タム，トーマス・ワイ; ヤング，ジョン・エイ; アミヌディン，ノーマン; ハーミーズ，ジョン・イー
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2031-04-25
Also published as: MX2012012673A; US8747715B2; AU2011245490B2; CN102947494A; CA2797948A1; BR112012027570A2; EP2563954A4; TWI544117B; US20140283674A1; CN102947494B; WO2011137045A3; WO2011137045A2; AU2011245490A1; US20140103568A9; US20110266710A1; EP2563954A2; TW201142095A; JP2013525622A; US9556537B2

Description

本技術は、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）フィラメント、およびそのようなフィラメントから形成された糸、さらにはＵＨＭＷＰＥフィラメントの作製のための方法に関する。

超高分子量のポリエチレン樹脂から作製されるマルチフィラメントＵＨＭＷＰＥ糸は、引張強度、引張弾性率、および破断エネルギーなどの高引張特性を有するように作製されてきた。マルチフィラメント「ゲルスパン」ＵＨＭＷＰＥ糸は、例えば、ハネウェルインターナショナル社（Honeywell International Inc.）が製造している。ゲル紡糸プロセスでは、折り畳まれた分子鎖構造の形成は好ましくなく、引張荷重の伝達がより効率的である伸張された鎖構造の形成が好ましい。このような糸は、数多くの用途において有用である。

超高分子量のポリエチレン樹脂は、例えば、日本では三井化学が、ヨーロッパではティコナエンジニアードポリマー（Ticona Engineered Polymers）およびＤＳＭが；ブラジルではブラスケム（Braskem）が、インドではレリアンス（Reliance）が、および中国では少なくとも１つの企業が製造している。溶液紡糸によるＵＨＭＷＰＥ樹脂からの高強度、高弾性率繊維の最初の商業的製造は、１９８５年のアライドシグナル社（AlliedSignal Co.）によって行われた。それ以来、２０年間にわたる商業的繊維製造の経験から、固有粘度によって測定された平均分子量、分子量分布、および短鎖分岐レベルなどの分子特性が見かけ上同じであるＵＨＭＷＰＥ樹脂が、非常に異なる形で加工され得ることが示されてきた。例えば、同じ供給業者からのＵＨＭＷＰＥ樹脂の表面上はまったく同一のロットが、非常に異なって加工されることが分かっている。

１つの態様では、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）から作られるゲルスパン糸を作製するための方法が提供され、この方法は：ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を含むスラリーを押出機に供給して液体混合物を作製する工程であって、このＵＨＭＷＰＥは、少なくとも約３０ｄｌ／ｇのデカリン中１３５℃での固有粘度を有する、工程；この液体混合物を加熱した容器に通して、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を含む均質溶液を形成する工程；この溶液を、加熱した容器から紡糸口金へ提供して、溶液糸を形成する工程；紡糸口金から放出される溶液糸を、約１．１：１から約３０：１の延伸比で延伸して、延伸溶液糸を形成する工程；延伸溶液糸を、ＵＨＭＷＰＥポリマーのゲル点未満の温度まで冷却して、ゲル糸を形成する工程；約１．１：１から約３０：１の第一の延伸比ＤＲ１にて、このゲル糸を１つ以上のステージで延伸する工程；ゲル糸を、第二の延伸比ＤＲ２にて延伸する工程；溶媒除去装置中にてゲル糸から紡糸溶媒を除去して、乾燥糸を形成する工程；乾燥糸を、第三の延伸比ＤＲ３にて少なくとも１つのステージで延伸して、部分配向糸を形成する工程；部分配向糸を、後延伸操作へ移す工程；ならびに、部分配向糸を、後延伸操作において、約１．８：１から約１５：１の第四の延伸比ＤＲ４まで延伸して、約４５ｇ／ｄ（４０．５ｇ／ｄｔｅｘ）超の引張強度を有する高配向糸製品を形成する工程、を含む。

別の態様では、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）から作られるゲルスパン糸を作製するための方法が提供され、この方法は：ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を含むスラリーを押出機に供給して液体混合物を作製する工程であって、このＵＨＭＷＰＥは、約１００ミクロンから約２００ミクロンの平均粒子サイズ、および少なくとも約３０ｄｌ／ｇのデカリン中１３５℃での固有粘度を有する、工程；この液体混合物を、約２２０℃から約３２０℃の温度を有する加熱した容器に通して、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を含む均質溶液を形成する工程であって、この溶液は、溶液の約５重量％から約２０重量％の量のＵＨＭＷＰＥを含む、工程；この溶液を、加熱した容器から紡糸口金へ提供して、溶液糸を形成する工程；紡糸口金から放出される溶液糸を、約１．１：１から約３０：１の延伸比で延伸して、延伸溶液糸を形成する工程；延伸溶液糸を、ＵＨＭＷＰＥポリマーのゲル点未満の温度まで冷却して、ゲル糸を形成する工程；約１．１：１から約３０：１の第一の延伸比ＤＲ１にて、このゲル糸を１つ以上のステージで延伸する工程；ゲル糸を、第二の延伸比ＤＲ２にて延伸する工程；溶媒除去装置中にてゲル糸から紡糸溶媒を除去して、乾燥糸を形成する工程；乾燥糸を、第三の延伸比ＤＲ３にて少なくとも１つのステージで延伸して、部分配向糸を形成する工程であって、この部分配向糸は、約１９ｄｌ／ｇ超の固有粘度を有する、工程；部分配向糸を、後延伸操作へ移す工程；ならびに、部分配向糸を、後延伸操作において、約１．８：１から約１５：１の第四の延伸比ＤＲ４まで延伸して、約４５ｇ／ｄ（４０．５ｇ／ｄｔｅｘ）超の引張強度を有する高配向糸製品を形成する工程、を含む。

説明および記述の目的で、具体例を選択し、本明細書の一部を形成する添付の図面にて示す。

図１は、ＵＨＭＷＰＥゲルスパンフィラメントおよび糸を作製するためのプロセスフロー図を示す。図２は、図１のプロセスで用いることができる、後延伸プロセスの一例を示す。図３は、図２の後延伸プロセスで用いることができる、加熱装置の一例を示す。図４は、種々のＵＨＭＷＰＥゲルスパン糸に対する試験結果のグラフを示す。

超高分子量ポリオレフィン（ＵＨＭＷＰＯ）、特に超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）などのポリマーをゲル紡糸することによって作られるフィラメントおよび糸は、広範囲にわたる種々の用途に用いることができ、ボディアーマー、ヘルメット、胸当て、ヘリコプターのシート、破片シールドなどの防弾用物品（ballistic articles）；カヤック、カヌー、自転車、およびボートなどのスポーツ用品を含む用途に用いられる複合材料；ならびに、釣糸、帆、ロープ、縫合糸、および布地が挙げられるが、これらに限定されない。

一般的に、「ゲル紡糸」プロセスは、ＵＨＭＷＰＥなどのポリマーおよび紡糸溶媒の溶液の形成、この溶液を紡糸口金に通すことによる、繊維とも称される複数の溶液フィラメントを含む溶液糸の形成、溶液糸を冷却することによるゲル糸の形成、紡糸溶媒を除去することによる本質的に乾燥した糸の形成、ならびに溶液糸、ゲル糸、または乾燥糸の少なくとも１つの延伸を含む。本明細書で用いる場合、「フィラメント」または「繊維」とは、その長さ方向の寸法が、幅および厚さである横方向の寸法よりも非常に大きい伸張体である。従って、「フィラメント」および「繊維」の用語は、リボン、条片、およびその他の種類の伸張体形状を含み、定形または不定形の断面を有し得る。本明細書で用いる場合、「糸」とは、複数の繊維またはフィラメントから形成されるか、またはこれらから構成される連続的なストランドである。図１は、ＵＨＭＷＰＥゲルスパンフィラメントおよび糸を作製するためのゲル紡糸プロセス１００の一例のフローチャートを提供する。

溶液は、溶液の約１重量％から約５０重量％の量のＵＨＭＷＰＥを含んでよく、好ましくは、溶液の約２重量％から約３０重量％、より好ましくは、溶液の約５重量％から約２０重量％、または溶液の約６重量％から約１０重量％である。溶液を形成する工程は、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を含むスラリーを形成することを含み得る。スラリーの成分は、適切ないかなる方法で提供されてもよい。例えば、スラリーは、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を合わせ、次に合わせたＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を押出機１０２へ提供することによって形成してよい。別の選択肢として、スラリーは、押出機１０２中にてＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を合わせることによって形成してもよい。スラリーは、ＵＨＭＷＰＥが溶融する温度未満である、従ってＵＨＭＷＰＥが紡糸溶媒に溶解する温度未満でもある温度にて形成してよい。例えば、スラリーは、室温で形成してよく、または約１１０℃までの温度へ加熱してもよい。スラリー中にて、ＵＨＭＷＰＥポリマーの紡糸溶媒に対する重量比は、約５：９５から約９５：５であってよい。好ましくは、ＵＨＭＷＰＥポリマーの溶媒に対する重量比は、約６：９４から約５０：５０であってよく、より好ましくは、約８：９２から約３０：７０であってよい。

ゲル紡糸プロセスに用いるために選択されるＵＨＭＷＰＥは、好ましくは、１つ以上の好ましい特性を有する。例えば、ＵＨＭＷＰＥは、少なくとも約３０ｄｌ／ｇ、または約３０ｄｌ／ｇから約１００ｄｌ／ｇを含む約３０ｄｌ／ｇ超、または約１００ｄｌ／ｇ超のデカリン中１３５℃での固有粘度を有し得る。いくつかの例では、ＵＨＭＷＰＥは、約３０ｄｌ／ｇ、約３５ｄｌ／ｇ、約４０ｄｌ／ｇ、約４５ｄｌ／ｇ、約５０ｄｌ／ｇ、約５５ｄｌ／ｇ、約６０ｄｌ／ｇ、約６５ｄｌ／ｇ、約８０ｄｌ／ｇ、約８５ｄｌ／ｇ、約９０ｄｌ／ｇ、約９５ｄｌ／ｇ、または約１００ｄｌ／ｇのデカリン中１３５℃での固有粘度を有し得る。

別の例として、鉱油中、２５０℃でのＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液、すなわち、全溶液１００重量部に対して１０重量部のＵＨＭＷＰＥが存在する溶液は、パスカル−秒（Ｐａ−ｓ）の単位での所望されるコグスウェル伸長粘度（λ）および所望されるせん断粘度を有し得る。

パスカル−秒（Ｐａ−ｓ）の単位での所望されるコグスウェル伸長粘度（λ）および所望されるせん断粘度を有するＵＨＭＷＰＥを選択する第一の方法において、鉱油中、２５０℃でのＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液は、以下の式：
λ≧５，９１７（ＩＶ）^０．８
に従うコグスウェル伸長粘度を有し得る。

１つのそのような例において、鉱油中、２５０℃の温度でのＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液は、少なくとも６５，０００Ｐａ−ｓのコグスウェル伸長粘度を有し得る。別の例では、鉱油中、２５０℃の温度でのＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液は、以下の式：
λ≧７，２８２（ＩＶ）^０．８
に従うパスカル−秒（Ｐａ−ｓ）の単位でのコグスウェル伸長粘度（λ）を有し得る。

さらに別の例では、鉱油中、２５０℃の温度でのＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液は、以下の式：
λ≧１０，９２４（ＩＶ）^０．８
に従うパスカル−秒（Ｐａ−ｓ）の単位でのコグスウェル伸長粘度（λ）を有し得る。

いくつかの例では、鉱油中、２５０℃でのＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液は、５，９１７（ＩＶ）^０．８、７，２８２（ＩＶ）^０．８、もしくは１０，９２４（ＩＶ）^０．８よりも大きいかまたはこれと等しく、さらに溶液のせん断粘度よりも少なくとも５倍大きいコグスウェル伸長粘度を有する。

パスカル−秒（Ｐａ−ｓ）での単位の所望されるコグスウェル伸長粘度（λ）および所望されるせん断粘度を有するＵＨＭＷＰＥを選択する第二の方法において、鉱油中、２５０℃でのＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液は、せん断粘度の少なくとも８倍のコグスウェル伸長粘度を有し得る。言い換えると、コグスウェル伸長粘度は、コグスウェル伸長粘度が５，９１７（ＩＶ）０．８よりも大きいかまたはこれと等しいかに関わらず、せん断粘度の８倍より大きいかまたはこれと等しいものであり得る。１つの例では、鉱油中、２５０℃でのＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液は、コグスウェル伸長粘度がせん断粘度の少なくとも１１倍であるように、コグスウェル伸長粘度およびせん断粘度を有する。そのような例では、コグスウェル伸長粘度はさらに、５，９１７（ＩＶ）^０．８、７，２８２（ＩＶ）^０．８、もしくは１０，９２４（ＩＶ）^０．８よりも大きいかまたはこれと等しくてもよい。

本明細書で述べるゲル紡糸プロセスの実施において、せん断粘度およびコグスウェル伸長粘度（λ）は、以下で述べる代表的な手順に従って測定することができる。
ＵＨＭＷＰＥの溶液を、ソネボーン社（Sonneborn, Inc.）より入手可能であるＨＹＤＲＯＢＲＩＴＥ（登録商標）５５ＯＰＯ白色鉱油中、１０重量％の濃度で調製した。この白色鉱油は、２５℃の温度にてＡＳＴＭＤ４０５２によって測定した約０．８６０ｇ／ｃｍ３から約０．８８０ｇ／ｃｍ３の密度、および４０℃の温度にてＡＳＴＭＤ４５５によって測定した約１００ｃＳＴから約１２５ｃＳｔの動粘度を有していた。この白色鉱油はまた、ＡＳＴＭＤ３２３８により、約６７．５％のパラフィン性炭素から約７２．０％のパラフィン性炭素、および約２８．０％から約３２．５％のナフテン性炭素より構成されていた。この白色鉱油は、ＡＳＴＭＤ１１６０によって測定した約２９８℃の１０ｍｍＨｇにおける２．５％蒸留温度を有しており、また、ＡＳＴＭＤ２５０２によって測定した約５４１の平均分子量も有していた。

この溶液は、二軸押出機中にて高温で形成したが、バンバリーミキサーを含むがこれに限定されないその他の従来の装置も適するであろう。この溶液を冷却してゲル状態とし、このゲルを、ディニスコ社（Dynisco Corp.）、ＬＣＲ７００２ＤｕａｌＢａｒｒｅｌＣａｐｉｌｌａｒｙＲｈｅｏｍｅｔｅｒの同一のツインバレルへ充填した。このレオメーターのツインバレル中にピストンを配置した。レオメーターのバレルを２５０℃の温度に維持し、ポリマーゲルを、溶液に再度変換し、これをその温度にて平衡化させた。共通の機構により、ピストンをレオメーターのバレルへ同時に駆動して挿入した。

ポリマー溶液を、各バレル出口のキャピラリーダイを通して押出した。各ダイのキャピラリー径（Ｄ）は１ｍｍであった。一方のダイのキャピラリー長（Ｌ１）は３０ｍｍであり；他方のキャピラリー長（Ｌ２）は１ｍｍであった。ダイ上に搭載された圧力変換器により、各バレル内で発生する圧力（Ｐ１、Ｐ２）を測定した。

ピストンの動きを、約１．２：１の比率で段階的に増加する一連のスピードにて作動させることで試験を行った。ピストンスピードおよび発生したバレル圧力を記録した。レオメーターは、定常状態が得られた時点で、次のスピードレベルへ自動的に切り替わった。圧力およびスピードのデータは、ディニスコ社、ＬＣＲ７００２ＤｕａｌＢａｒｒｅｌＣａｐｉｌｌａｒｙＲｈｅｏｍｅｔｅと共に提供されるスプレッドシートプログラムへ自動的に転送され、そこで必要な計算を行った。ＵＨＭＷＰＥ溶液の排出速度（Ｑ、ｃｍ３／秒）は、ピストン径およびピストンスピードから算出した。

キャピラリー壁における見かけのせん断応力、τ_ａ，ｉ、は、以下の関係から算出することができ：

ここで、ｉは、バレル１またはバレル２に対応する１、２である。
キャピラリー壁における見かけのせん断速度は、以下のようにして算出することができる：

見かけのせん断粘度は、以下のようにして定義することができる：

ラビノビッチ補正として知られる補正をせん断速度に適用して、ポリマー溶液の非ニュートン特性に関する補正を行うことができる。キャピラリー壁における真のせん断速度は、以下のようにして算出することができ：

ここで、ｎ^＊は、ｌｏｇτ_ａ，ｉ対ｌｏｇγ_ａ，ｉのプロットの傾きである。
バーグレー補正（Bagely correction）として知られる補正をせん断応力に適用して、ポリマー溶液をバレルからダイへ通される際に失われるエネルギーを考慮に入れることができる。この追加のエネルギーロスは、ダイの有効長の増加に従って現れ得る。真のせん断応力は、以下によって与えられる：

Ｐ_０は、Ｌ_１およびＬ_２に対するＰ_１およびＰ_２の直線回帰から得ることができる。Ｐ_０は、Ｌ＝０での切片である。
真のせん断粘度は、以下のように、せん断速度の関数として得ることができる：

せん断粘度は、せん断速度１秒^−１における値として定義することができる。
ポリマー溶液が、レオメーターのバレルからダイへ流動するに従って、流線は集束する。そのような流場は、単純なせん断流に重ね合わされた伸張変形として解釈することができる。Cogswellは、伸張レオロジー（extensional rheology）を測定する方法として、これらの成分を別々に扱うことができる方法を示した（F.N. Cogswell, Trans. Soc. Rheology, 16(3), 383-403 (1972)）。

伸張応力σ_ｅおよび伸張歪みεは、それぞれ、式７および８により以下のようにして得ることができる：

そして、コグスウェル伸張粘度（λ）は、以下のようにして算出することができ、

ここで、式７〜９のｎは、ｌｏｇσ_ｅ対ｌｏｇε_ｉのプロットの傾きである。
本発明の目的のために、コグスウェル伸張粘度は、伸張速度１秒^−１における値として定義することができる。

本明細書で開示するゲル紡糸プロセスでの使用に選択されるＵＨＭＷＰＥの分子構造に関して、ＵＨＭＷＰＥは、１０００炭素原子あたり１０個未満の短側鎖を有することが好ましく、短側鎖は、１から４個の炭素原子を含む。例えば、ＵＨＭＷＰＥは、１０００炭素原子あたり５個未満の短側鎖、１０００炭素原子あたり２個未満の短側鎖、１０００炭素原子あたり１個未満の短側鎖、または１０００炭素原子あたり０．５個未満の短側鎖を有していてよい。側鎖基は、これらに限定されないが、Ｃ_１−Ｃ_１０アルキル基、ビニル末端アルキル基、ノルボルネン、ハロゲン原子、カルボニル、ヒドロキシル、エポキシド、およびカルボキシルを含み得る。

ＵＨＭＷＰＥポリマーはまた、少量、一般的には、約５重量％未満、好ましくは約３重量％未満、より好ましくは約２重量％未満の、酸化防止剤、熱安定剤、着色剤、流動促進剤、溶媒、およびその他の添加剤などの添加剤を含有していてもよい。ＵＨＭＷＰＥポリマーが少なくとも１つの酸化防止剤を含有する例では、酸化防止剤は、ヒンダードフェノール、芳香族ホスファイト、アミン、およびこれらの混合物から成る群より選択してよい。好ましくは、酸化防止剤は、（２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−メチル−フェノール、テトラキス［メチレン（３，５−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルヒドロキシヒドロシナメート）］メタン、トリス（２，４−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）ホスファイト、オクタデシル３，５−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−ヒドロキシヒドロシナメート、１，３，５−トリス（３，５−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）−１，３，５−トリアジン−２，４，６（１Ｈ，３Ｈ，５Ｈ）−トリオン、２，５，７，８−テトラメチル−２（４’，８’，１２’−トリメチルトリデシル）クロマン−６−オール、およびこれらの混合物から成る群より選択してよい。１つの例では、酸化防止剤は、ビタミンＥまたはα−トコフェロールとして一般的に知られる２，５，７，８−テトラメチル−２（４’，８’，１２’‐トリメチルトリデシル）クロマン−６−オールであってよい。

参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，０３２，３３８号で考察されるように、ＵＨＭＷＰＥポリマーの粒子サイズおよび粒子サイズ分布は、ゲル紡糸に供される溶液の形成時におけるＵＨＭＷＰＥポリマーの溶解の度合いに影響を与え得る。以下で述べるように、ＵＨＭＷＰＥポリマーが溶液に完全に溶解していることが望ましい。従って、１つの好ましい例では、ＵＨＭＷＰＥは、約１００ミクロンから約２００ミクロンの平均粒子サイズを有してよい。そのような例では、最大約９０％まで、または少なくとも約９０％の粒子が、平均粒子サイズから４０ミクロン以内である粒子サイズを有することが好ましい。言い換えると、最大約９０％まで、または少なくとも約９０％の粒子が、平均粒子サイズプラスまたはマイナス４０ミクロンと等しい粒子サイズを有する。別の例では、用いられるＵＨＭＷＰＥ粒子の約７５重量％から約１００重量％が、約１００ミクロンから約４００ミクロンの粒子サイズを有していてよく、好ましくは、粒子の約８５重量％から約１００重量％が、約１２０ミクロンから３５０ミクロンの粒子サイズを有している。加えて、粒子サイズの分布は、約１２５から２００ミクロンを中心とする実質的に粒子サイズのガウス曲線であってよい。また、用いられるＵＨＭＷＰＥ粒子の約７５重量％から約１００重量％が、約３００，０００から約７，０００，０００の重量平均分子量を有することも好ましく、より好ましくは約７００，０００から約５，０００，０００である。また、粒子の少なくとも約４０％が、Ｎｏ．８０メッシュスクリーン上に保持されることも好ましい。

紡糸溶媒は、適切ないかなる紡糸溶媒であってもよく、これに限定されないが、大気圧にて１００℃超の沸点を有する炭化水素が挙げられる。紡糸溶媒は、脂肪族、脂環式、および芳香族などの炭化水素；ならびにジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素；ならびにこれらの混合物から成る群より選択してよい。いくつかの例では、紡糸溶媒は、大気圧にて少なくとも約１８０℃の沸点を有していてよい。そのような例では、紡糸溶媒は、ハロゲン化炭化水素、鉱油、デカリン、テトラリン、ナフタレン、キシレン、トルエン、ドデカン、ウンデカン、デカン、ノナン、オクテン、シス−デカヒドロナフタレン、トランス−デカヒドロナフタレン、低分子量ポリエチレンワックス、およびこれらの混合物から成る群より選択してよい。１つの例では、紡糸溶媒は、鉱油、デカリン、およびこれらの混合物から成る群より選択される。

スラリーが提供される押出機１０２は、適切ないかなる押出機であってもよく、例えば、交差反転式共回転二軸押出機（intermeshing co-rotating twin screw extruder）などの二軸押出機が挙げられる。ゲル紡糸プロセスは、スラリーを押出機１０２で押出して、ＵＨＭＷＰＥポリマーおよび紡糸溶媒の混合物、好ましくは密接な混合物を形成することを含んでよい。スラリーを押出すことによる混合物の形成は、ＵＨＭＷＰＥポリマーが溶融する温度よりも高い温度で行ってよい。押出機１０２で形成されるＵＨＭＷＰＥポリマーおよび紡糸溶媒の混合物は、従って、溶融ＵＨＭＷＰＥポリマーおよび紡糸溶媒の液体混合物であってよい。溶融ＵＨＭＷＰＥポリマーおよび紡糸溶媒の液体混合物が押出機中で形成される温度は、約１４０℃から約３２０℃であってよく、好ましくは約２２０℃から約３２０℃、より好ましくは約２２０℃から約２８０℃であってよい。

スラリーを押出機を通して加工するための方法の一例は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許同時係属出願番号第１１／３９３，２１８号に記載されており、これには、押出機の容量が、おおよそスクリュー径の二乗として量られると記載されている。押出し作業の性能指数は、従って、ポリマーのスループット率とスクリュー径の二乗との間の比である。少なくとも１つの例では、スラリーは、溶融ＵＨＭＷＰＥポリマーおよび紡糸溶媒の液体混合物におけるＵＨＭＷＰＥポリマーのスループット率が、少なくとも１分間あたり２．５Ｄ^２グラム（ｇ／分）の量であるように加工され、ここで、Ｄは、押出機のスクリュー径をセンチメートルの単位で表す。例えば、ＵＨＭＷＰＥポリマーのスループット率は、少なくとも４Ｄ^２ｇ／分、少なくとも６Ｄ^２ｇ／分、または少なくとも１０Ｄ^２ｇ／分、少なくとも１５．８Ｄ^２ｇ／分、少なくとも２０Ｄ^２ｇ／分、少なくとも３０Ｄ^２ｇ／分、または少なくとも４０Ｄ^２ｇ／分であってよい。従って、ＵＨＭＷＰＥポリマーのスループット率は、約２．５Ｄ^２ｇ／分から約４０Ｄ^２ｇ／分であってよく、ここで、Ｄは、押出機のスクリュー径をセンチメートルの単位で表す。

ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の押出機１０２中での平均滞留時間は、約０．６Ｄ未満であってよく、ここで、Ｄは、スクリュー径をセンチメートルの単位で表す。１つの例では、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の押出機中での平均滞留時間は、約０．４Ｄ未満である。平均滞留時間とは、押出機の自由体積（バレルからスクリューを差し引いたもの）を体積スループット率で除したものとして定義することができる。例えば、分の単位での平均滞留時間は、ｃｍ^３の単位での自由体積をｃｍ^３／分の単位でのスループット率で除することによって算出することができる。

ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の液体混合物の形成後、ゲル紡糸プロセス１００は、この液体混合物を加熱した容器１０６に通して、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の溶液を形成することを含んでよい。ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の溶液形成の一例は、そのすべての開示事項が参照により本明細書に組み込まれる、２００６年３月３０日出願の米国特許同時係属出願番号第１１／３９３，２１８号に記載されている。ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の溶液は、均一、均質な溶液であることが好ましく、ここで、ＵＨＭＷＰＥは、紡糸溶媒に溶解している。均質溶液の形成を促進することができる作業条件は、例えば、（１）ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の液体混合物の温度を、ＵＨＭＷＰＥの溶融温度近辺またはそれ以上の温度まで上昇させること、ならびに（２）紡糸溶媒がＵＨＭＷＰＥ中へ拡散し、ＵＨＭＷＰＥが紡糸溶媒中へ拡散することを可能とするのに十分な時間、液体混合物をその上昇させた温度にて維持することを含む。溶液が均一、または十分に均一である場合、最終的なゲルスパン糸は、高められた引張強度などの改善された特性を有することができる。溶液が十分に均一であるかどうかを判定する１つの方法は、以下で述べるように紡糸口金から排出された状態の溶液糸をサンプリングし、その溶液糸を手で延伸することによる。溶液が十分に均一である場合、溶液糸は、手での延伸時に平滑である。他方、非均一溶液では、手で延伸した溶液糸は凸凹の外観を有する結果となり得るものであり、これは、真珠の数珠（string of pearls）の外観を有すると称される場合がある。

ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を含む透明な液体の形成は、均質溶液の形成と同等ではないことには留意されたい。例えば、静的紡糸溶媒（static spinning solvent）中の約１５０ミクロン径である単一の超高分子量ポリエチレン粒子について高温顕微鏡上で行った研究がある（M. Rammoorthy，ハネウェルインターナショナル社、未発表研究）。加熱ステージ温度がポリエチレンの融点に近づくにつれ、粒子は、その外側の周辺部にて徐々に「溶解」するように見え、そして、狭い温度範囲にて短時間内に視野から消滅した。しかし、加熱ステージが冷却されると、粒子は再結晶化し、再び出現した。明らかに、粒子は、溶解ではなく、単に溶融したものである。溶融状態では、溶融ポリエチレンの屈折率が溶媒のそれと非常に近かったために、粒子を視認することはできなかった。

図１に戻ってこれを参照すると、押出機１０２から排出されるＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の液体混合物は、容積移送式ポンプなどのポンプ１０４を介して、加熱された容器１０６へ通されてよい。加熱された容器１０６は、例えばスタティックミキサーであってよい１つ以上のミキサーを含んでいてよい。加熱された容器１０６は、ＵＨＭＷＰＥの溶融温度超である適切ないかなる温度であってもよい。例えば、加熱された容器１０６は、少なくとも約１４０℃の温度を有していてよい。１つの例では、加熱された容器１０６は、約２２０℃から約３２０℃の温度を有していてよく、好ましくは、約２２０℃から約２８０℃である。加熱された容器１０６は、溶媒中のＵＨＭＷＰＥの溶液を形成するために、加熱された容器１０６中での液体混合物の平均滞留時間を提供するのに十分な容量を有していてよい。例えば、加熱された容器１０６中での液体混合物の滞留時間は、約２分から約１２０分であってよく、好ましくは、約６分から約６０分である。

別の選択肢としての例では、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の溶液の形成において、加熱された容器および押出機の配置ならびに使用は逆にしてもよい。そのような例では、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒の液体混合物を加熱された容器中で形成し、次にこれを押出機に通して、ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を含む溶液を形成してよい。

次に、ゲル紡糸プロセスは、ＵＨＭＷＰＥポリマーおよび紡糸溶媒の溶液を、加熱された容器１０６から、溶液糸を作製する紡糸口金１０８へ提供することを含んでよい。溶液は、加熱された容器１０６から、ギヤポンプなどの計量ポンプを通され、次に紡糸口金１０８へと送られてよい。ＵＨＭＷＰＥポリマーおよび紡糸溶媒の溶液を、加熱された容器１０６から紡糸口金１０８へ提供するプロセスは、ＵＨＭＷＰＥポリマーおよび紡糸溶媒の溶液を、ギヤポンプであってよい計量ポンプに通すことを含んでよい。紡糸口金１０８から排出される溶液糸は、複数の溶液フィラメントを含んでよい。紡糸口金１０８は、適切ないかなる数のフィラメントを有する溶液糸をも形成することができ、例えば、少なくとも約１００フィラメント、少なくとも約２００フィラメント、少なくとも約４００フィラメント、または少なくとも約８００フィラメントである。１つの例では、紡糸口金１０８は、約１０の紡糸孔から約３０００の紡糸孔を有していてよく、溶液糸は、約１０フィラメントから約３０００フィラメントを含んでいてよい。好ましくは、紡糸口金は、約１００の紡糸孔から約２０００の紡糸孔を有していてよく、溶液糸は、約１００フィラメントから約２０００フィラメントを含んでいてよい。紡糸孔は、入口部が円錐形状であってよく、この円錐形は、約１５度から約７５度の開先角度を有する。好ましくは、開先角度は、約３０度から約６０度である。加えて、円錐形状の入口部に続いて、紡糸孔は、紡糸孔の出口まで延びる直線状のボアキャピラリーを有していてよい。キャピラリーは、長さ対直径比が約１０から約１００であってよく、より好ましくは、約１５から約４０である。

ゲル紡糸プロセス１００は、紡糸口金１０８から排出される溶液糸を、約１．１：１から約３０：１の延伸比で延伸して、延伸溶液糸を形成することを含んでよい。溶液糸の延伸は、例えば冷却チムニー（cooling chimney）または短いガス充填スペースであってよいガスゾーン１１０に、溶液糸を連続的に通過させることによって実施してよい。いくつかの例では、ガスゾーン１１０は、約０．３センチメートルから約１０センチメートルの長さを有していてよく、好ましくは、約０．４から約５センチメートルである。ガスゾーン１１０は、窒素などの不活性ガスで充填してよく、または、別の選択肢として、ガスゾーン１１０中での溶液糸の滞留時間が約１秒未満である例では、ガスゾーン１１０は、空気で充填してもよい。ガスゾーン１１０が冷却チムニーである例では、溶液糸の冷却、および紡糸溶媒の少なくとも一部分の蒸発に、冷却ガスを用いてよい。

ゲル紡糸プロセス１００は、延伸溶液糸を、ＵＨＭＷＰＥポリマーのゲル点未満の温度まで冷却して、ゲル糸を形成することを含んでよい。冷却の工程は、液体急冷浴１１２中にて延伸溶液糸を急冷することを含んでよい。液体急冷浴１１２中の液体は、水、エチレングリコール、エタノール、イソプロパノール、水溶性凍結防止剤、およびこれらの混合物から成る群より選択することができる。液体急冷浴１１２の温度は、約−３５℃から約３５℃であってよい。

ゲル紡糸プロセス１００は、ゲル糸を、約１．１：１から約３０：１の第一の延伸比ＤＲ１にて、１つ以上のステージで延伸することを含んでよい。第一の延伸比ＤＲ１による１つ以上のステージでのゲル糸の延伸は、ゲル糸を第一のローラーセット１１４に通すことで実施してよい。好ましくは、第一の延伸比ＤＲ１でのゲル糸の延伸は、糸に熱を適用することなく行ってよく、約２５℃未満またはこれと等しい温度で行ってよい。

ゲル糸の延伸はまた、第二の延伸比ＤＲ２でゲル糸を延伸することも含んでよい。第二の延伸比ＤＲ２でのゲル糸の延伸はまた、洗浄機（washer）と称される場合もある溶媒除去装置１１６中にてゲル糸から紡糸溶媒を同時に除去して、乾燥糸を形成することも含んでよい。紡糸溶液の除去は、適切ないかなる方法で実施してもよく、例えば、乾燥、または低沸点第二溶媒での紡糸溶媒の抽出、およびそれに続く乾燥、が挙げられる。

乾燥糸は、好ましくは、紡糸溶媒、および紡糸溶媒の除去に用いられるいずれの第二溶媒をも含むいかなる溶媒についても、その含有量が約１０重量％未満であってよい。好ましくは、乾燥糸は、約５重量％未満の溶媒を含んでよく、より好ましくは、約２重量％未満の溶媒を含んでよい。

ゲル紡糸プロセスはまた、乾燥糸を、第三の延伸比ＤＲ３にて、少なくとも１つのステージで延伸して、部分配向糸（ＰＯＹ）を形成することも含んでよい。乾燥糸の第三の延伸比での延伸は、例えば、延伸スタンド（draw stand）１１８に乾燥糸を通すことによって実施してよい。第三の延伸比は、約１．１０：１から約２．００：１であってよい。ゲル糸および乾燥糸の延伸比ＤＲ１、ＤＲ２、およびＤＲ３での延伸は、インラインで行ってよい。１つの例では、ゲル糸および乾燥糸の延伸を合わせたものは、ＤＲ１、ＤＲ２、およびＤＲ３を掛け合わせることによって決定することができ、ＤＲ１×ＤＲ２×ＤＲ３、または（ＤＲ１）（ＤＲ２）（ＤＲ３）として書き記すことができ、これは少なくとも約５：１、好ましくは少なくとも約１０：１、より好ましくは少なくとも約１５：１、最も好ましくは少なくとも約２０：１であってよい。好ましくは、乾燥糸は、最終ステージの延伸が約１．２：１未満の延伸比となるまで、インラインで最大に延伸される。所望に応じて、乾燥糸の延伸の最終ステージに続いて、部分配向糸の緩和を、その長さの約０．５パーセントから約５パーセントで行ってもよい。

部分配向糸（ＰＯＹ）は、適切ないかなる固有粘度を有していてもよい。いくつかの例では、部分配向糸（ＰＯＹ）の固有粘度は、約１７ｄｌ／ｇ超であってよく、約１７ｄｌ／ｇから約２０ｄｌ／ｇであってよく、約１８ｄｌ／ｇ、約１９ｄｌ／ｇ、または約１９ｄｌ／ｇ超を含むがこれらに限定されない。加えて、部分配向糸（ＰＯＹ）は、少なくとも約１２ｇ／ｄ（１０．８ｇ／ｄｔｅｘ）の引張強度を有していてよい。好ましくは、部分配向糸（ＰＯＹ）は、約１２ｇ／ｄ（１０．８ｇ／ｄｔｅｘ）から約２５ｇ／ｄ（２２．５ｇ／ｄｔｅｘ）の引張強度を有していてよく、１３ｇ／ｄ（１１．７ｇ／ｄｔｅｘ）、１４ｇ／ｄ（１２．６ｇ／ｄｔｅｘ）、１５ｇ／ｄ（１３．５ｇ／ｄｔｅｘ）、１６ｇ／ｄ（１４．４ｇ／ｄｔｅｘ）、１７ｇ／ｄ（１５．３ｇ／ｄｔｅｘ）、１８ｇ／ｄ（１６．２ｇ／ｄｔｅｘ）、１９ｇ／ｄ（１７．１ｇ／ｄｔｅｘ）、２０ｇ／ｄ（１８ｇ／ｄｔｅｘ）、２１ｇ／ｄ（１８．９ｇ／ｄｔｅｘ）、または約２２ｇ／ｄ（１９．８ｇ／ｄｔｅｘ）、２３ｇ／ｄ（２０．７ｇ／ｄｔｅｘ）、もしくは２４ｇ／ｄ（２１．６ｇ／ｄｔｅｘ）を含むがこれらに限定されない。いくつかの例では、部分配向糸（ＰＯＹ）は、約２５ｇ／ｄ（２２．５ｇ／ｄｔｅｘ）超の引張強度を有していてよい。部分配向糸（ＰＯＹ）の引張強度は、ＡＳＴＭＤ２２５６−０２に従い、１０インチ（２５．４ｃｍ）のゲージ長および１００％／分の歪み速度にて測定してよい。

上述のゲル紡糸プロセス１００は、部分配向糸（ＰＯＹ）の連続的なインライン生産をもたらすものである。１つの例では、部分配向糸（ＰＯＹ）は、部分配向糸（ＰＯＹ）のフィラメントあたり少なくとも約０．３５ｇ／分の速度で生産することができ、好ましくは、フィラメントあたり少なくとも約０．６０ｇ／分、より好ましくは、フィラメントあたり少なくとも約０．７５ｇ／分、最も好ましくは、フィラメントあたり少なくとも約１．００ｇ／分である。

ゲル紡糸プロセス１００はまた、部分配向糸（ＰＯＹ）を、巻き取り機１２０により、糸パッケージとして、またはビーム上に巻き取ることも含んでよい。巻き取りは、好ましくは、部分配向糸（ＰＯＹ）にねじれが加えられることなく実施してよい。

ゲル紡糸プロセス１００はまた、部分配向糸（ＰＯＹ）を後延伸操作１２２へ移送することも含んでよい。後延伸操作は、非連続的で、部分配向糸（ＰＯＹ）のインライン生産から分離されていてよい。後延伸操作は、部分配向糸（ＰＯＹ）を巻き出すこと、および部分配向糸（ＰＯＹ）を延伸して、高配向糸（ＨＯＹ）製品を形成することを含んでよい。部分配向糸（ＰＯＹ）の延伸による高配向糸（ＨＯＹ）製品の形成は、少なくとも１つのステージで実施してよく、好ましくは、オーブンなどの加熱装置によって提供される加熱環境中、約１２５℃から約１６０℃の後延伸温度にて行ってよい。部分配向糸は、一般的に、それが後延伸温度に到達するまで延伸されないことには留意されたい。部分配向糸（ＰＯＹ）の延伸による高配向糸（ＨＯＹ）製品の形成は、部分配向糸（ＰＯＹ）が後延伸温度である時点で、部分配向糸（ＰＯＹ）を、約１．８：１から約１５：１である第四の延伸比ＤＲ４まで延伸して、高配向糸（ＨＯＹ）製品を形成することを含んでよい。後延伸操作の過程での部分配向糸（ＰＯＹ）の延伸比は、好ましくは、一定の値である。後延伸操作の過程での部分配向糸（ＰＯＹ）の延伸プロファイルは、好ましくは、延伸プロファイルの傾きが一定値となる直線である。延伸プロファイルは、部分配向糸（ＰＯＹ）の速度変化量を、後延伸操作１２２の糸経路に沿って部分配向糸（ＰＯＹ）が移動した距離の変化量で除したものである。延伸プロファイルは、従って、距離に対する速度のグラフの傾きであり、これはｄＶ／ｄＸと書き記すことができ、ここで、Ｖは、部分配向糸（ＰＯＹ）の速度であり、Ｘは、部分配向糸（ＰＯＹ）が移動した距離である。

乾燥糸の部分後延伸（fractional post draw）（ＦＯＬＤＹ）は、約０．７５から約０．９５であってよい。ＦＯＬＤＹは、以下の式で定義することができる：
ＦＯＬＤＹ＝ｌｏｇ（ＤＲ４）／ｌｏｇ（（ＤＲ３）（ＤＲ４））
後延伸操作は、部分配向糸（ＰＯＹ）を、強制対流式オーブン中で延伸することを含んでよく、好ましくは、後延伸操作での部分配向糸の延伸は、空気中で行ってよい。後延伸操作は、例えば、各々のそのすべての内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，９６９，５５３号、米国特許第７，３７０，３９５号、または米国特許出願番号第２００５／００９３２００号に記載の条件を含んでよい。

後延伸プロセスの一例を図２に示す。図示される後延伸プロセス２００は、加熱装置２０２、加熱装置２０２の外部にある第一のロールセット２０４、および加熱装置２０２の外部にある第二のロールセット２０６を含む。部分配向糸（ＰＯＹ）２０８は、供給源からフィードされ、第一のロールセット２０４を通されてよい。第一のロールセット２０４は、駆動ロールであり、部分配向糸（ＰＯＹ）２０８を加熱装置２０２へ、所望のフィード速度Ｖ_１メートル／分にて提供するのに所望されるスピードで回転するよう運転される。第一のロールセット２０４は、個別ロール２１０を複数含んでよい。１つの例では、最初の数個の個別ロール２１０は加熱されず、残りの個別ロール２１０が、部分配向糸（ＰＯＹ）２０８の繊維を、それが加熱装置２０２に入る前に予備加熱する目的で、加熱される。第一のロールセット２０４は、図２に示されるように、合計で７個の個別ロール２１０を含むが、個別ロール２１０の数は、所望される構成に応じて、これより多くても、または少なくてもよい。

部分配向糸（ＰＯＹ）２０８は、１つ以上のオーブンを含んでよい加熱装置２０２へフィードされてよい。１つ以上のオーブンは、隣接する横型オーブンであってよい。各オーブンは、好ましくは、強制対流式エアーオーブンである。部分配向糸（ＰＯＹ）２０８と１つ以上のオーブン中の空気との間での効果的な熱伝導を有することが望ましいことから、各オーブン中の空気循環は、好ましくは、乱流状態である。部分配向糸（ＰＯＹ）２０８近傍における各オーブン内の時間平均空気速度は、好ましくは、約１メートル／分から約２００メートル／分であってよく、好ましくは約２メートル／分から約１００メートル／分、より好ましくは約５メートル／分から約１００メートル／分である。図示した例では、６つの隣接する横型オーブン２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、および２２２が示されるが、適切ないかなる数のオーブンを用いてもよく、例えば、１つのオーブン、２つのオーブン、３つのオーブン、４つのオーブン、５つのオーブン、７つのオーブン、８つのオーブン、または９以上のオーブンが挙げられる。加熱装置は、Ｌメートルの全糸経路長を有していてよい。１つ以上のオーブンの各々は、それぞれ、所望される糸経路長を提供するために、適切ないかなる長さを有していてもよい。例えば、各オーブンは、約１０フィートから約１６フィート（３．０５メートルから４．８８メートル）の長さ、より好ましくは、約１１フィートから約１３フィート（３．３５メートルから３．９６メートル）の長さであってよい。加熱装置２０２を通される部分配向糸（ＰＯＹ）２０８の温度およびスピードは、所望に応じて様々であってよい。例えば、加熱装置２０２に、１つ以上の温度制御ゾーンが存在してよく、各ゾーンは、約１２５℃から約１６０℃の温度を有し、より好ましくは、約１３０℃から約１６０℃、または約１５０℃から約１６０℃である。好ましくは、ゾーン内の温度は、その変動が±２℃未満（合計で４℃未満）、より好ましくは±１℃未満（合計で２℃未満）となるように制御される。

加熱装置２０２中での部分配向糸（ＰＯＹ）２０８の経路は、およそ直線状であってよい。後延伸プロセスの過程での部分配向糸（ＰＯＹ）２０８の張力プロファイルは、種々のロールのスピードを調節することにより、または加熱装置２０２の温度プロファイルを調節することにより、調節してよい。例えば、部分配向糸（ＰＯＹ）２０８の張力は、連続する駆動ロール間のスピードの差を増加させることで、または加熱装置２０２の温度を低下させることで、上昇させてよい。加熱装置２０２中での部分配向糸（ＰＯＹ）２０８の張力は、およそ一定であるか、または加熱装置２０２を通して上昇していくことが好ましい。

加熱された糸２２４は、最後のオーブン２２２から排出され、次に、第二のロールセット２０６上を通されることで、最終的な高配向糸（ＨＯＹ）製品２２６を形成してよい。第二のロールセット２０６は、駆動ロールであってよく、所望の排出速度Ｖ_２メートル／分にて加熱装置２０２から加熱された糸２２２を取り出すために所望されるスピードで回転するように運転される。第二のロールセット２０６は、複数の個別ロール２２８を含んでよい。図２に示されるように、第二のロールセット２０６は、合計で７個の個別ロール２２８を含むが、個別ロール２２８の数は、所望される構成に応じて、これより多くても、または少なくてもよい。加えて、第二のロールセット２０６における個別ロール２２８の数は、第一のロールセット２０４における個別ロール２１０の数と同じであっても、または異なっていてもよい。好ましくは、第二のロールセット２０６は、最終的な高配向糸（ＨＯＹ）製品２２６が、張力下にて、少なくとも約９０℃未満の温度まで冷却されて、その配向および形態を保持するように、低温であってよい。

加熱装置２０２の別の選択肢としての実施形態を、図３に示す。図３に示されるように、加熱装置２０２は、単一オーブン３００など、１つ以上のオーブンを含んでよい。各オーブンは、好ましくは、図２に関して上述したものと同じ条件を有する強制対流式エアーオーブンである。示されるように、オーブン３００は、適切ないかなる長さを有していてもよく、１つの例では、約１０フィートから約２０フィート（３．０５から６．１０メートル）の長さであってよい。オーブン３００は、１つ以上の中間ロール３０２を含んでよく、加熱装置２０２内での部分配向糸（ＰＯＹ）２０８の進行経路を延長する目的でその方向を変えるために、その上を、オーブン３００中の部分配向糸（ＰＯＹ）２０８が通されてよい。１つ以上の中間ロール３０２の各々は、部分配向糸（ＰＯＹ）２０８がその上を通る際に、回転しない固定ロール、所定のスピードで回転する駆動ロール、または自由に回転可能であるアイドラーロールであってよい。加えて、１つ以上の中間ロール３０２の各々は、示されるように、オーブン３００の内部に配置されてよく、または、別の選択肢として、１つ以上の中間ロール３０２は、オーブン３００の外部に配置されてもよい。１つ以上の中間ロール３０２の使用により、加熱装置２０２の有効長が延長される。所望される全糸経路長Ｌメートルを得る目的で、適切ないかなる数の中間ロールを用いてもよい。

１つの例では、フィード速度Ｖ_１メートル／分、排出速度Ｖ_２メートル／分、全糸経路長Ｌメートルは、以下の式（１）から（４）の各々を満足するように選択してよい：
０．２５≦Ｌ／Ｖ_１≦２０、分（１）
３≦Ｖ_２／Ｖ_１≦２０（２）
１．７≦（Ｖ_２−Ｖ_１）≦６０、分^−１（３）
０．２０≦２Ｌ／（Ｖ_２＋Ｖ_１）≦１０、分（４）
ゲル紡糸プロセスは、高配向糸（ＨＯＹ）製品を張力下で冷却して、作製された冷却高配向糸（ＨＯＹ）製品を形成し、この作製された冷却高配向糸（ＨＯＹ）製品を巻き取る最終工程を含んでよい。作製された高配向糸（ＨＯＹ）製品は、約４５ｇ／ｄ（４０．５ｇ／ｄｔｅｘ）超の引張強度を有してよく、例えば、約４５ｇ／ｄ（４０．５ｇ／ｄｔｅｘ）から約９０ｇ／ｄ（６３ｇ／ｄｔｅｘ）、または約９０ｇ／ｄ（６３ｇ／ｄｔｅｘ）超を含む。加えて、作製された高配向糸（ＨＯＹ）製品は、約１４００ｇ／ｄ超の弾性率を有してよく、約２０００ｇ／ｄまで、または約２０００ｇ／ｄ超を含む。さらに、少なくともいくつかの例では、作製された高配向糸（ＨＯＹ）製品は、この糸が作られたＵＨＭＷＰＥポリマーの固有粘度の約０．２倍から、この糸が作られたＵＨＭＷＰＥポリマーの固有粘度の約０．６５倍までである固有粘度を有してよい。例えば、ＵＨＭＷＰＥの固有粘度が、３０ｄｌ／ｇである場合、それから作製された高配向糸（ＨＯＹ）製品は、約６ｄｌ／ｇから約１９．５ｄｌ／ｇであってよい。

実施例１：後延伸滞留時間
引張強度が高められた高配向糸（ＨＯＹ）の作製は、部分的に、後延伸の延伸比および延伸プロファイルの関数であることが見出された。例えば、よりゆっくりである後延伸延伸比では、一般的に、引張強度のより高い高配向糸（ＨＯＹ）を作製することができる。固有粘度３３ｄｌ／ｇを有するＵＨＭＷＰＥポリマー、および押出機温度２４０℃を用い、上述のプロセスに従って作製した固有粘度１８．５ｄｌ／ｇを有する部分配向糸（ＰＯＹ）のサンプルを、各々、後延伸プロセスで延伸した。後延伸プロセスは、１５０℃または１５２℃のいずれかの温度の加熱装置を通る、単一パス（Ｓｔｄ）または複数パス（ＭＰ）のいずれかを有していた。単一パス運転における部分配向糸（ＰＯＹ）の最大延伸比は、単一パス（Ｓｔｄ）運転の場合約３．０から約３．９であり、高い延伸比は、糸切れを起こす結果となった。複数パス（ＭＰ）運転の場合、最大延伸比は約４．５から約６．０と決定された。

図４は、これらのプロセスで作製された高配向糸の引張強度を示す試験結果を提供するグラフである。図４は、引張強度（ＵＴＳ）対デニールでの延伸比のグラフである。図４から分かるように、１５０℃または１５２℃のいずれかにおける後延伸プロセスで作製された高配向糸の引張強度は、加熱装置を通して複数パスを経た糸の方が大きかった。

実施例２：ゲルスパン糸
紡糸溶媒および固有粘度約６０ｄｌ／ｇであるＵＨＭＷＰＥポリマーを含む溶液を、押出機温度２８０℃、および２９０℃に加熱された容器により形成する。押出機に投入されるスラリー中のポリマー濃度は、約６％であり、スラリーの温度は約１００℃である。押出機および加熱された容器により均質紡糸溶液を形成した後、この溶液を、１８１孔、紡糸口金径０．３５ｍｍ、およびＬ／Ｄ３０：１の紡糸口金を通して紡糸する。紡糸口金と急冷水浴との間には、０．７５インチのエアギャップが存在する。溶液糸は、この０．７５インチ（１．９ｃｍ）エアギャップ中、約２：１の延伸比で延伸され、次に、約１０℃の水温である水浴で急冷される。このゲル糸は、ロールセットにより、３：１の延伸比で冷延伸され、その後、溶媒除去装置へ投入される。溶媒除去装置では、ゲル繊維は、約２：１の延伸比で延伸される。得られた乾燥糸は、４セットのロールセットにより、３つのステージにて延伸され、引張強度が約４０ｇ／ｄである部分配向糸（ＰＯＹ）が形成される。部分配向糸（ＰＯＹ）は、２５メートルオーブン中、５パスにより１５２℃で延伸される。部分配向糸（ＰＯＹ）のフィードスピードは、延伸の滞留時間が、約１０：１超の最大延伸比を達成するように調節される。高配向糸（ＨＯＹ）製品は、引張強度が約９０ｇ／ｄであり、弾性率は約２０００ｇ／ｄである。

実施例３：防弾性試験
ソフトまたはハードアーマーなどの防弾用物品を、ゲルスパン糸から作製することができる。この例では、ソフトアーマーおよびハードアーマー複合体パネルを、ゲルスパンＵＨＭＷＰＥ糸から構築した。コントロールサンプルに用いた糸は、３７．５ｇ／ｄの引張強度および１３５０ｇ／ｄの弾性率を有していた。試験サンプルに用いた糸は、本明細書で述べるプロセスに従って作製されたものであり、４５ｇ／ｄの引張強度および１４５０ｇ／ｄの弾性率を有していた。試験サンプルおよびコントロールサンプルは、同じ繊維体積分率および同じマトリックス樹脂で構築した。構造の防御力は、投射物の５０％が阻止される衝撃速度を挙げることで表すことができ、１秒あたりのフィートで表されるＶ５０値と称される。複合体パネルのＶ５０値は、様々な種類の弾丸で試験し、試験結果を下記の表１に示す。

試験結果から分かるように、４５ｇ／ｄの引張強度を有するゲルスパン糸から作製された試験サンプルアーマーは、３７．５ｇ／ｄの引張強度を有するゲルスパン糸から作製されたコントロールサンプルアーマーよりも高い性能を有していた。

上記より、例示の目的で具体例を本明細書にて記載してきたが、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことが可能であることは理解されるであろう。従って、上記の詳細な記述は、限定するものではなく、説明のためのものとして見なされること、ならびに、請求される主題を特に指摘し、明確に請求することを意図しているのは、すべての均等物を含む以下の特許請求の範囲であることが理解されること、を意図している。

Claims

超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）から作られるゲルスパン糸を作製するための方法であって、
ＵＨＭＷＰＥおよび紡糸溶媒を含むスラリーを押出機に供給して液体混合物を作製する工程、ここで、前記ＵＨＭＷＰＥは、少なくとも３０ｄｌ／ｇのデカリン中１３５℃での固有粘度（ＩＶ）を有する；
前記液体混合物を加熱した容器に通して、前記ＵＨＭＷＰＥおよび前記紡糸溶媒を含む均質溶液を形成する工程；
前記溶液を、前記加熱した容器から紡糸口金へ提供して、溶液糸を形成する工程；
前記紡糸口金から放出される前記溶液糸を、１．１：１から３０：１の延伸比で延伸して、延伸溶液糸を形成する工程；
前記延伸溶液糸を、前記ＵＨＭＷＰＥポリマーのゲル点未満の温度まで冷却して、ゲル糸を形成する工程；
１．１：１から３０：１の第一の延伸比ＤＲ１にて、前記ゲル糸を１つ以上のステージで延伸する工程；
前記ゲル糸を、第二の延伸比ＤＲ２にて延伸する工程；
溶媒除去装置中にて前記ゲル糸から紡糸溶媒を除去して、乾燥糸を形成する工程；
前記乾燥糸を、第三の延伸比ＤＲ３にて少なくとも１つのステージで延伸して、１９ｄｌ／ｇ超の固有粘度を有する部分配向糸を形成する工程；
前記部分配向糸を、後延伸操作へ移す工程；及び
前記部分配向糸を、後延伸操作において、１．８：１から１５：１の第四の延伸比ＤＲ４まで、後延伸温度にて延伸して、４５ｇ／ｄ（４０．５ｇ／ｄｔｅｘ）超の引張強度および１４００ｇ／ｄ超の弾性率を有する高配向糸製品を形成する工程、
を含む、方法。
前記部分配向糸が、連続するインラインプロセスで作製され、前記後延伸操作が、前記インラインプロセスから分離された非連続工程である、請求項１に記載のゲルスパン糸を作製するための方法。
前記ＵＨＭＷＰＥが、１００ミクロンから約２００ミクロンの平均粒子サイズを有し、前記粒子の約９０％が、前記平均粒子サイズの４０ミクロン以内である粒子サイズを有する、請求項１に記載のゲルスパン糸を作製するための方法。
前記ＵＨＭＷＰＥが、３０ｄｌ／ｇ超の固有粘度を有する、請求項３に記載のゲルスパン糸を作製するための方法。
前記溶液が、前記溶液に対して６重量％から１０重量％の量で前記ＵＨＭＷＰＥを含む、請求項１に記載のゲルスパン糸を作製するための方法。
２５０℃での鉱油中に溶解した前記ＵＨＭＷＰＥの１０重量％溶液が、以下の式：
λ≧５，９１７（ＩＶ） ^０．８
に従うコグスウェル伸長粘度（λ）を有する、請求項１に記載のゲルスパン糸を作製するための方法。
前記部分配向糸（ＰＯＹ）が、１２ｇ／ｄ（１０．８ｇ／ｄｔｅｘ）から２５ｇ／ｄ（２２．５ｇ／ｄｔｅｘ）の引張強度を有し、前記乾燥糸が約０．７５から約０．９５の部分後延伸比で延伸される、請求項１に記載のゲルスパン糸を作製するための方法。
前記後延伸方法の延伸の前記延伸比が、前記部分配向糸が前記後延伸温度である時点では一定である、請求項１に記載のゲルスパン糸を作製するための方法。
後延伸方法の延伸プロファイルが、前記部分配向糸が前記後延伸温度である時点では直線である、請求項１に記載のゲルスパン糸を作製するための方法。
複数のゲルスパン超高分子量ポリエチレン糸を含む防弾用物品であって、該糸が１９ｄｌ／ｇ超の固有粘度、４５ｇ／ｄ（４０．５ｇ／ｄｔｅｘ）超の引張強度、及び１４００ｇ／ｄ超の弾性率を有する、防弾用物品。