新型结构材料1a超高分子量聚乙烯纤维专论

相对相对超高分子质量聚乙烯纤维超高分子质量聚乙烯纤维 UHMWPE FIBER， HSHMPE FIBER (一一) 超高分子量聚乙烯原料的结构性能超高分子量聚乙烯原料的结构性能 (二二) 冻胶纺丝原理冻胶纺丝原理 (三三) 超高分子量聚乙烯纤维的制备超高分子量聚乙烯纤维的制备 冻胶纺丝的技术路线、加工技术及原理冻胶纺丝的技术路线、加工技术及原理 1） 原料的选择原料的选择 2）均质溶液的制备）均质溶液的制备 3）初生冻胶原丝的形成）初生冻胶原丝的形成 4）冻胶原丝的萃取）冻胶原丝的萃取 5）萃取冻胶丝的干燥处理）萃取冻胶丝的干燥处理 6）干冻胶丝条的超倍热拉伸）干冻胶丝条的超倍热拉伸 （四）超高分子量聚乙烯纤维的后加工（四）超高分子量聚乙烯纤维的后加工 （五）超高分子量聚乙烯纤维的改性及新进展（五）超高分子量聚乙烯纤维的改性及新进展高强高模高强高模高分子纤维的概念高分子纤维的概念科学家和工程技术人员科学家和工程技术人员一直想制备出合成高强一直想制备出合成高强高模纤维。这种纤维的高模纤维。这种纤维的分子量要足够大，分子分子量要足够大，分子链应该是紧密堆砌，并链应该是紧密堆砌，并且严格沿纤维方向完美且严格沿纤维方向完美排列排列纤维模量的发展历史纤维模量的发展历史室温下几种材料的杨氏模量室温下几种材料的杨氏模量 材料材料 杨氏模量杨氏模量(GPa)橡胶橡胶 0.1无定型热塑体无定型热塑体, T Tg2 4半结晶热塑体半结晶热塑体 0.1 0.3木材木材 (纤维方向纤维方向)15骨骨20铝铝70玻璃玻璃70钢铁钢铁200陶瓷陶瓷500碳纤维碳纤维500 800钻石钻石1200- - - - - - -聚乙烯纤维聚乙烯纤维 100 250芳纶纤维芳纶纤维 80 130“M-5” 纤维纤维 300? 一些高分子纤维的力学性能一些高分子纤维的力学性能超高分子量聚乙烯纤维发展超高分子量聚乙烯纤维发展Process for making polymer filaments which have a high tensile strength and a high modulus第一份有关第一份有关UHMWPE纤维的专利纤维的专利SMITH P.LEMSTRA P. J.3 3，美国，美国Allied Signal公司抢先购买了该专利使用权，公司抢先购买了该专利使用权，经改良于经改良于1983年取得制造纤维和纤维增强复合材料技年取得制造纤维和纤维增强复合材料技术的美国专利，术的美国专利，1989年正式商业化生产，商品名为年正式商业化生产，商品名为“Spectra”, 当时的售价为当时的售价为49-61美元美元/公斤；公斤；4，1982年日本年日本Mitsui公司，利用自有研发技术，开发公司，利用自有研发技术，开发的增塑纺于的增塑纺于1983年通过欧洲专利评审，年通过欧洲专利评审，1985年在岩国年在岩国(IWAKUNI)工厂内完成工厂内完成3吨吨/月中试生产线，月中试生产线，88年开始年开始商业化生产，商品名为商业化生产，商品名为“Tekmilon”，当时的售价为当时的售价为8000 10000日元日元/公斤公斤 ； （一）超高分子量聚乙烯原料的结构性能（一）超高分子量聚乙烯原料的结构性能几种高分子的玻璃化温度几种高分子的玻璃化温度Tg超高分子质量聚乙烯纤维的结构性能超高分子质量聚乙烯纤维的结构性能 分子链的极限强度可由分子链上分子链的极限强度可由分子链上CC原子之间的共价键的原子之间的共价键的强度强度(0.61N)和分子截面积计算得到：和分子截面积计算得到：分子链极限强度分子链极限强度(GPa) 5.98/ 密度密度(g/cm3)分子链截面积分子链截面积(nm2) 要使柔性链高聚物纤维达到高性能化要使柔性链高聚物纤维达到高性能化必须考虑如下四个方面必须考虑如下四个方面:含含( (二二) ) 冻胶纺丝原理冻胶纺丝原理 (三三) 制造聚乙烯纤维的方法制造聚乙烯纤维的方法 高压固态挤出法高压固态挤出法 增塑熔融纺丝法增塑熔融纺丝法 表面结晶生长法表面结晶生长法 区域高倍拉伸法区域高倍拉伸法 凝胶纺丝凝胶纺丝热拉伸法热拉伸法冻胶纺丝的加工技术及原理冻胶纺丝的加工技术及原理1技术路线和工艺流程技术路线和工艺流程实验室纺丝示意图实验室纺丝示意图技技 术术 路路 线溶解纺丝工段线溶解纺丝工段超高分子量聚超高分子量聚乙烯粉末乙烯粉末 溶溶 剂剂溶解釜初溶解釜初溶解溶解 有有 关关 助助 剂剂双螺杆挤出双螺杆挤出机溶解混和机溶解混和过滤器过滤器纺丝箱体纺丝箱体凝固浴凝固浴盛丝桶盛丝桶包括计量泵及包括计量泵及纺丝组件纺丝组件形成冻胶丝形成冻胶丝技术路线萃取拉伸工段技术路线萃取拉伸工段丝条集束丝条集束张力架张力架预拉伸浴预拉伸浴萃取浴萃取浴多级多段拉伸多级多段拉伸卷绕成品丝卷绕成品丝技技 术术 路路 线回线回 收收 工工 段段凝固浴凝固浴盛丝桶中回盛丝桶中回收液收液萃取液萃取液储存桶储存桶精馏塔及精馏塔及有关冷凝有关冷凝装置装置萃取剂萃取剂溶溶 剂剂水水 份份2加工原理加工原理（4）冻胶原丝的萃取）冻胶原丝的萃取 用低沸点物换出第一溶剂用低沸点物换出第一溶剂（5）经萃取冻胶丝的热处理）经萃取冻胶丝的热处理 （6）干冻胶丝条的超倍热拉伸）干冻胶丝条的超倍热拉伸要提高纤维的强度和模量，必须提高拉伸比，要提高纤维的强度和模量，必须提高拉伸比，影响最大拉伸倍数的因素主要有：影响最大拉伸倍数的因素主要有：喂入速度与热拉伸板长度和拉伸工艺参数的关系喂入速度与热拉伸板长度和拉伸工艺参数的关系(a)：100km断丝断丝1次以下，：为次以下，：为100km断丝断丝5次以下次以下 （四）（四）UHMW-PE 纤维的加工纤维的加工UHMW-PE 纤维的加工纤维的加工UHMWPE纤维增强复合材料的防弹性能纤维增强复合材料的防弹性能优于由玻璃纤维和碳纤维增强的复合材料产品。优于由玻璃纤维和碳纤维增强的复合材料产品。 （五）超高分子量聚乙烯纤维的性能（五）超高分子量聚乙烯纤维的性能良好的力学性能良好的力学性能 耐疲劳性、耐磨损性耐疲劳性、耐磨损性 良好的耐冲击性良好的耐冲击性 高速冲击时几种纤维的冲击强度高速冲击时几种纤维的冲击强度几种高分子的玻璃化温度几种高分子的玻璃化温度Tg 优良的耐光性优良的耐光性 纤维的耐光性纤维的耐光性 优良的耐化学品性能优良的耐化学品性能 UHMWPE纤维和芳纶纤维纤维和芳纶纤维耐各种化学试剂和强酸、强碱能力的比较耐各种化学试剂和强酸、强碱能力的比较 热热 性性 能能 其其 它它（六）超高分子质量聚乙烯纤维及制品的应用（六）超高分子质量聚乙烯纤维及制品的应用 2.3.2 主要产品及应用主要产品及应用 高强纤维和板材高强纤维和板材Spectra fiber 900 的物理性能的物理性能 Spectra Fiber 1000的物理性能的物理性能强度比强度比 900高高1520 Spectra Fiber 2000的物理性能的物理性能Spectra Fiber 2000是是Spectra纤维系列中最新的品种，它的开发为装甲车、纤维系列中最新的品种，它的开发为装甲车、航空宇宙和高性能要求的运动物品提供特级、超强和超低重量的纤维。航空宇宙和高性能要求的运动物品提供特级、超强和超低重量的纤维。应用：柔软且超轻分子量的警用和军用防弹背心；应用：柔软且超轻分子量的警用和军用防弹背心；航空特殊用途，包括雷达屏蔽；特级渔线和风筝线。航空特殊用途，包括雷达屏蔽；特级渔线和风筝线。Honeywell第二代软质盔甲方面的应第二代软质盔甲方面的应用，是把已申请专利的用，是把已申请专利的Spectra纤维纤维同同Shield技术结合生产出来的。它比技术结合生产出来的。它比Spectra Shield LCR纤维要轻纤维要轻25，Spectra Shield Plus LCR是一种由两是一种由两层相互交叉（层相互交叉（0/90）定向的）定向的Spectra聚乙烯长链纤维和中间夹层聚乙烯长链纤维和中间夹层热塑性膜组成的。热塑性膜组成的。应用：军用软质防弹盔甲。应用：军用软质防弹盔甲。产品特性：质轻、柔软的防弹性能可产品特性：质轻、柔软的防弹性能可以抵抗多方面的冲击；对潮湿及化学以抵抗多方面的冲击；对潮湿及化学药品有很强的抵抗力；优异的防弹抗药品有很强的抵抗力；优异的防弹抗力；对多角度子弹的冲击抗力。力；对多角度子弹的冲击抗力。Spectra Shield Plus LCR （七）（七）UHMWPE纤维的发展前景纤维的发展前景（1）提高耐热性、耐蠕变性）提高耐热性、耐蠕变性 （2）改进粘结性）改进粘结性 （2）改进粘结性）改进粘结性