CN107419354A

CN107419354A - 高耐切割高强高模聚乙烯长丝及其制备方法

Info

Publication number: CN107419354A
Application number: CN201710716613.9A
Authority: CN
Inventors: 牛艳丰; 李珣珣; 周新基; 朱建军; 蔡卫; 仁大贤; 杨建军; 王金建; 姚建泉; 刘昆; 陈俊明
Original assignee: Jiangsu Nine Jiangsu Jiujiujiu Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Nine Jiangsu Jiujiujiu Technology Co Ltd
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2017-12-01

Abstract

本发明公开了一种高耐切割高强高模聚乙烯长丝及其制备方法，产品由超高分子量聚乙烯长丝和软质耐磨短纤组成，软质耐磨短纤的质量含量为超高分子量聚乙烯基体的20%~40%。制备方法包括制备软质耐磨短纤、制备超高分子量聚乙烯纺丝原液、制备短纤预分散液将上述短纤预分散液加入到超高分子量聚乙烯纺丝原液中，并进一步制备得到超高分子量聚乙烯纤维。本发明制备的耐切割性能优化的超高分子量聚乙烯长丝，其强度高、模量高、残余含油率低，耐切割性能稳定，手感柔软。

Description

高耐切割高强高模聚乙烯长丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强聚乙烯长丝及其制备方法，属于高性能纤维技术领域。

背景技术

高强聚乙烯纤维一般是由特性粘数大于18的超高分子量聚乙烯经冻胶纺丝法制成，纤维中超高分子量聚乙烯的粘均分子量一般在200万以上，使得纤维具有较常规化纤高很多的强度和模量，由其制成的制品具有优异的抗拉性、抗冲击性和耐磨性，在绳缆、防弹制品、劳动防护制品等方面有着广泛的应用。由高强聚乙烯纤维直接编织制成的劳动防护制品如手套、袖套、围裙等的耐磨防割性能虽然较常规化纤好，但无法满足较高防切割等级(如

EN388规定的4级或5级)的要求。下游厂家一般通过将高强聚乙烯纤维与玻纤或钢丝等包覆后再编织制品，来提高制品的防切割等级，但同时带来了质量增加、舒适性降低等负面影响。从改善原料角度出发，开发防切割性能更好的高强聚乙烯纤维并直接用于制品生产，将有助于矛盾的解决。

专利WO2008/046476中公开了一种耐切割超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，该方法是将硬质矿物纤维混入以十氢萘为溶剂的纺丝原液中，并通过干法纺丝法纺制超高分子量聚乙烯纤维，所获得超高分子量聚乙烯纤维的耐切割性能较常规高强聚乙烯纤维有一定的提高，但由于使用的是矿物纤度，也存在如下问题：(1)由于使用的改性添加剂是有一定长径比的短纤，在生产过程中容易堵塞过滤网，造成生产不能顺利进行；(2)由于使用的是矿物短纤维，其与聚乙烯的结合力较差，不易在超高分子量聚乙烯中分散均匀，造成最终的纤维耐切割性能不稳定；(3)所纺制的纤维的手感差，导致最终制品手感差。

专利CN105734708A中公开了一种耐切割超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，该方法是将诸如陶瓷纤维、碳纤维、碳化硅晶须等硬质纤维与超高分子量聚乙烯的溶解液混合来纺制纤维，预先将硬质纤维在高混机中进行了搅拌，然后在白油中进行了预分散，硬质纤维在原液中的分散效果有提高，但是硬质纤维与纤维基体结合力差、纤维手感差得缺点仍存在。

专利US5976998中公开了一种填充抗切纤维，该纤维是由成纤聚合物和一种莫氏硬度大于3的硬质颗粒制造，由于使用的硬质颗粒粒径小、用量少，存在如下问题：(1)硬质颗粒粒径小，在纺丝原液中易团聚，容易堵塞过滤网；(2)硬质颗粒用量少，且不能在纤维本体中形成均匀的网状分布，对纤维耐切割性改善效果差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐切割性能优化的高耐切割高强高模聚乙烯长丝及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：

一种高耐切割高强高模聚乙烯长丝，其特征是：由超高分子量聚乙烯长丝和软质耐磨短纤组成，软质耐磨短纤的质量含量为超高分子量聚乙烯基体的20％～40％。

一种高耐切割高强高模聚乙烯长丝的制备方法，其特征是：包括下列步骤：

(1)制备软质耐磨短纤：以聚乙烯和耐磨粉体为原料，通过熔融纺丝或溶液纺丝法制备的聚乙烯耐磨长丝；使用切断机将上述聚乙烯耐磨长丝切断为长度50～150um的软质耐磨短纤；

(2)将超高分子量聚乙烯粉末投入到白油中，搅拌均匀，获得超高分子量聚乙烯纺丝原液；

(3)将软质耐磨短纤投入到一定量的白油中，分散均匀，制得短纤预分散液；

(4)将上述短纤预分散液加入到超高分子量聚乙烯纺丝原液中，在氮气保护下搅拌均匀，并在氮气保护下喂入双螺杆挤出机，纺丝原液在双螺杆挤出机中经溶解、匀混后，再经脱泡、过滤，经纺丝组件挤出，进入冷却液槽经冷却后形成冻胶丝条；

(5)冻胶丝条经预拉伸、多级萃取、干燥和热拉伸，再经过热定型形成耐切割性能优化的超高分子量聚乙烯纤维。

步骤(1)中所述耐磨粉体选自金刚石粉体、石墨烯粉体、氮硅氧化合物粉体中的两种或三种，其中至少有一种是石墨烯粉体。

步骤(1)中所述聚乙烯的特性粘度值为1.5到7；所述聚乙烯耐磨长丝的直径为5～15um；耐磨粉体颗粒直径为0.80～10um。优选在使用前对粉体进行表面处理。所述耐磨聚乙烯长丝纤度小于3.3D，优选小于2.2D，最优选小于1.5D，最优选小于1D；纤维中耐磨粉体的含量不低于10％，优选不低于15％，最优选不低于20％。

步骤(2)中所述超高分子量聚乙烯的特性粘度值为18到35，分子量分布不大于3，堆积密度不大于0.45g/cm³；所述白油为超高分子量聚乙烯的溶剂，40度下运动粘度70～80cSt；

步骤(3)中软质耐磨短纤投入到一定量的白油中后，采用高剪切乳化机分散均匀，高剪切乳化机的搅拌转速2500rpm以上，乳化时间大于1h。

步骤(4)中所述双螺杆挤出机为溶解设备，直径95～125mm，长径比56～68；所述氮气的纯度高于99.9％，含水率低于0.01％；

步骤(4)中所述溶解温度240～280℃；所述过滤器及纺丝组件的滤网目数30目～120目；冷却液槽中的冷却介质为水或白油，介质温度10～25℃；纺丝组件与冷却介质液面间为氮气保护的气隙，气隙温度10～20℃，气隙高度1～5cm。

步骤(5)中所述多级预拉伸为三级拉伸，拉伸倍率分别为1.2～1.3倍、3.0～3.5倍、1.5～2.0倍，拉伸温度20～80℃；

步骤(5)中所述多级萃取为5级以上，萃取剂为碳氢清洗剂、二甲苯、二氯甲烷、四氯乙烯中的一种，萃取温度0～70℃。

步骤(5)中所述多级萃取为多槽串联、阶梯溢流的方式；多级热拉伸通过七辊牵伸机和牵伸热烘箱实现，所述多级为3级以上，各级拉伸倍率逐级降低且均大于1，第4级拉伸倍率1.0～1.1倍；拉伸温度为130～150℃，1～4级拉伸逐级升温；所述热定型为微张力热定型，定型速比为1.00～1.03，定型温度80～130℃，定型时间不低于5s。

本发明由于在制备耐切割性能优化的高强聚乙烯长丝时，纺丝原液中添加的是软质耐磨聚乙烯短纤，其表面能低，且本身与白油和超高分子量聚乙烯具有很好的相容性，在白油中乳化分散时不易团聚，容易获得分散均匀的预分散液。另外受其包裹的耐磨粉体组合也更容易在超高分子量聚乙烯中获得均匀分布。石墨烯粉体由于有具有很高的比表面积，作为中介物，一端包裹耐磨粉体，另一端缠绕聚乙烯分子长链，使得耐磨粉体跟聚乙烯长链的结合力更强，不易脱落，纤维耐切割性能更持久。

利用本发明制备的耐切割性能优化的超高分子量聚乙烯长丝，其强度高、模量高、残余含油率低，耐切割性能稳定，手感柔软。并且该发明中的制备方法可有效避免纳米粉体团聚造成的生产线过滤网堵塞现象，能够长期稳定地生产，有利于提高生产效率。利用该纤维编织的手套，在不包覆玻纤或钢丝的情况下，耐切割等级就可以达到欧标4级以上，耐切割性能大大提高。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

下述实施例中，纤维的机械性能和防切割性能按照下面方法测定：

复合纤维的拉伸强度、拉伸模量及断裂伸长率是通过电子织物强力机(温州大荣纺织仪器有限公司)测定而得，预张力10N，夹距500mm，拉伸速度250mm/min，测试环境温度25℃，湿度55％。

实施例中所制备的纤维均按照相同的编织工艺编织成了手套，并按照欧标EN388标准有资质的检测中心测试了手套的防切割性能。

比较例1

将25kg超高分子量聚乙烯粉末(IV＝20.5)投入到287.5kg白油中，60℃下搅拌均匀，搅拌转速70rpm，获得固含量8％的均匀纺丝原液。

上述纺丝原液经双螺杆挤出机溶解、熔体过滤器过滤，经过计量泵计量后由纺丝组件挤出成纺丝流体，纺丝流体经多倍拉伸后进入凝固浴冷却成冻胶丝条。过滤器目数300目，纺丝温度260℃。

冻胶丝条经萃取、干燥后获得初生纤维，初生纤维经过三道热拉伸和一道热定型，获得成品超高分子量聚乙烯纤维。拉伸速度35m/min，最高热拉伸温度148℃，热定型温度110℃。

实施例1

利用高速共混机，将100g平均粒径1um的石墨烯粉体和1kg平均粒径1um金刚石粉体均匀分散在5kg聚乙烯粉末中(IV＝3)，制得改性预混料。预混料经常规熔融纺丝，获得单丝纤度0.56D的聚乙烯耐磨聚乙烯长丝。耐磨聚乙烯长丝经切断机切断成100um长的软质耐磨聚乙烯短纤。

将20kg超高分子量聚乙烯粉末(IV＝20.5)投入到262.5kg白油中，60℃下搅拌均匀，搅拌转速70rpm，获得超高分子量聚乙烯纺丝原液。称取5kg上述软质耐磨聚乙烯短纤逐步投入到50kg白油中，利用高剪切乳化机搅拌均匀制得预分散液，搅拌机转速1500rpm～2500rpm，搅拌时间不少于30min。将乳化所得的耐磨短纤预分散液倒入配制好的超高分子量聚乙烯纺丝原液中，获得浓度8％的改性超高分子量聚乙烯纺丝原液。

上述纺丝原液经双螺杆挤出机溶解、熔体过滤器过滤，经过计量泵计量后由纺丝组件挤出成纺丝流体，纺丝流体经多倍拉伸后进入凝固浴冷却成冻胶丝条。过滤器目数60目，纺丝温度260℃。

冻胶丝条经萃取、干燥后获得初生纤维，初生纤维经过三道热拉伸和一道热定型，获得耐切割性能优化的超高分子量聚乙烯纤维。拉伸速度35m/min，最高热拉伸温度148℃，热定型温度110℃。

实施例2

重复实施例1，不同之处在于，制备耐磨短纤所用的耐磨粉体组合为100g石墨烯粉体和1kg氮硅氧化合物粉体。

实施例3

重复实施例2，不同之处在于，制备改性超高分子量聚乙烯纺丝原液时，耐磨短纤的添加比例由实施例2中的20％提高为40％(即将5kg耐磨短纤制成的55kg白油预分散液加入到7.5kg超高分子量聚乙烯粉体制成的101.25kg纺丝原液中)。

对比例2

重复实施例1，不同之处在于，制备耐磨短纤所用的耐磨粉体为平均粒径1um的纯金刚石粉体。

注：上述纤维均为400D/120F规格。

Claims

1.一种高耐切割高强高模聚乙烯长丝，其特征是：由超高分子量聚乙烯长丝和软质耐磨短纤组成，软质耐磨短纤的质量含量为超高分子量聚乙烯基体的20%~40%。

2.一种高耐切割高强高模聚乙烯长丝的制备方法，其特征是：包括下列步骤：

（1）制备软质耐磨短纤：以聚乙烯和耐磨粉体为原料，通过熔融纺丝或溶液纺丝法制备的聚乙烯耐磨长丝；使用切断机将上述聚乙烯耐磨长丝切断为长度50~150um的软质耐磨短纤；

（2）将超高分子量聚乙烯粉末投入到白油中，搅拌均匀，获得超高分子量聚乙烯纺丝原液；

（3）将软质耐磨短纤投入到一定量的白油中，分散均匀，制得短纤预分散液；

（4）将上述短纤预分散液加入到超高分子量聚乙烯纺丝原液中，在氮气保护下搅拌均匀，并在氮气保护下喂入双螺杆挤出机，纺丝原液在双螺杆挤出机中经溶解、匀混后，再经脱泡、过滤，经纺丝组件挤出，进入冷却液槽经冷却后形成冻胶丝条；

（5）冻胶丝条经预拉伸、多级萃取、干燥和热拉伸，再经过热定型形成耐切割性能优化的超高分子量聚乙烯纤维。

3.根据权利要求2所述的高耐切割高强高模聚乙烯长丝的制备方法，其特征是：步骤（1）中所述耐磨粉体选自金刚石粉体、石墨烯粉体、氮硅氧化合物粉体中的两种或三种，其中至少有一种是石墨烯粉体。

4.根据权利要求3所述的高耐切割高强高模聚乙烯长丝的制备方法，其特征是：步骤（1）中所述聚乙烯的特性粘度值为1.5到7；所述聚乙烯耐磨长丝的直径为5~15um；耐磨粉体颗粒直径为0.80~10um。

5.根据权利要求2、3或4所述的高耐切割高强高模聚乙烯长丝的制备方法，其特征是：步骤（2）中所述超高分子量聚乙烯的特性粘度值为18到35，分子量分布不大于3，堆积密度不大于0.45g/cm³；所述白油为超高分子量聚乙烯的溶剂，40度下运动粘度70~80cSt；

步骤（3）中软质耐磨短纤投入到一定量的白油中后，采用高剪切乳化机分散均匀，高剪切乳化机的搅拌转速2500rpm以上，乳化时间大于1h。

6.根据权利要求2、3或4所述的高耐切割高强高模聚乙烯长丝的制备方法，其特征是：步骤（4）中所述双螺杆挤出机为溶解设备，直径95~125mm，长径比56~68；所述氮气的纯度高于99.9%，含水率低于0.01%；

步骤（4）中所述溶解温度240~280℃；所述过滤器及纺丝组件的滤网目数30目~120目；冷却液槽中的冷却介质为水或白油，介质温度10~25℃；纺丝组件与冷却介质液面间为氮气保护的气隙，气隙温度10~20℃，气隙高度1~5cm。

7.根据权利要求2、3或4所述的高耐切割高强高模聚乙烯长丝的制备方法，其特征是：步骤（5）中所述多级预拉伸为三级拉伸，拉伸倍率分别为1.2~1.3倍、3.0~3.5倍、1.5~2.0倍，拉伸温度20~80℃；

步骤（5）中所述多级萃取为5级以上，萃取剂为碳氢清洗剂、二甲苯、二氯甲烷、四氯乙烯中的一种，萃取温度0~70℃。

8.根据权利要求2、3或4所述的高耐切割高强高模聚乙烯长丝的制备方法，其特征是：步骤（5）中所述多级萃取为多槽串联、阶梯溢流的方式；多级热拉伸通过七辊牵伸机和牵伸热烘箱实现，所述多级为3级以上，各级拉伸倍率逐级降低且均大于1，第4级拉伸倍率1.0~1.1倍；拉伸温度为130~150℃，1~4级拉伸逐级升温；所述热定型为微张力热定型，定型速比为1.00~1.03，定型温度80~130℃，定型时间不低于5s。