超高分子量聚乙烯的溶解及中空纖維紡制工藝的研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維是有機(jī)柔性鏈的高性能纖維，具有高度取向伸直鏈結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)、高模纖維。由于其優(yōu)越的性能而得到廣泛應(yīng)用，工業(yè)上采用凍膠紡絲一超倍熱拉伸技術(shù)制得。 對于中空纖維，國內(nèi)外研究較多的是中空纖維膜和保暖性三維卷曲中空纖維，而紡制中空UHMWPE纖維還未見報道。中空UHMWPE纖維可在不影響纖維強(qiáng)度的前提下，大大減輕纖維制品的重量，用作防彈衣以減輕重量，對輕量化裝備軍隊有重大意義。本文采用白油作為溶劑，通過溶

2、解、凍膠紡絲、溶劑萃取及超倍熱拉伸，制備出性能優(yōu)良的UHMWPE中空纖維，并通過各種測試手段對纖維的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進(jìn)行了研究。 制得均勻的UHMWPE溶液是凍膠紡絲的首要任務(wù)。本論文討論了UHMWPE粉末在白油中溶解工藝。采用先溶脹后溶解的工藝，溶脹最佳溫度130℃，時間40～60min，溶解溫度180℃，在不同設(shè)備中進(jìn)行溶解。結(jié)果表明，捏合機(jī)溶解效果好，溶解所得的超高分子量聚乙烯溶液更均勻。 聚合物流體的流變規(guī)律是其加

3、工成形工藝條件的制定和工藝設(shè)備選擇的依據(jù)。了解濃度、相對分子質(zhì)量和溫度對紡絲溶液流變性能的影響，就可以為制備合適的紡絲溶液和選擇紡絲工藝提供依據(jù)。本論文在TA公司生產(chǎn)的ARES旋轉(zhuǎn)式流變儀上對不同濃度、不同相對分子質(zhì)量的紡絲原液進(jìn)行了流變性能的測定。UHMWPE溶液屬于切力變稀的假塑性流體；隨著溫度的升高，紡絲原液的表觀粘度η<,α>下降；非牛頓指數(shù)n增大；結(jié)構(gòu)粘度指數(shù)△η值下降，即可紡性變好。而隨著溶液濃度和相對分子質(zhì)量的增大，紡絲原

4、液的表觀粘度η<,α>增大；非牛頓指數(shù)n減小；△η值增大；粘流活化能增大，即溶液對溫度的敏感性增加，且相對分子質(zhì)量對溶液的粘流活化能的影響比濃度顯著。由于原液制備、紡絲成形等加工過程都在持續(xù)的較高溫度環(huán)境下進(jìn)行，UHMWPE很容易發(fā)生熱裂解和氧化降解，本文根據(jù)粘度法測分子量用以表征在溶解過程中添加抗氧劑的作用，并且比較了1010和Ciba IRGANOX B225兩種不同種類以及不同含量的抗氧劑和加熱時間對UHMWPE紡絲原液的影響。結(jié)

5、果顯示：在UHMWPE溶解過程中，隨著溫度的升高、加熱時間的增長，聚乙烯的分子量有明顯的降解；加入抗氧劑后能有效抑制聚乙烯的降解，且隨著抗氧劑含量的增加，其抑制聚乙烯降解的作用也隨之增大；相同含量的抗氧劑，混合抗氧劑Ciba IRGANOX B225的效果要比1010好；UHMWPE的加熱溶解的時間最好控制在100 min以內(nèi)，以保證溶解所得的紡絲原液中聚乙烯的分子量能滿足紡絲需要。 制備出均勻的紡絲原液后，在自制小型紡絲機(jī)上采

6、用雙環(huán)套管形噴絲板，使用溫度為130℃～140℃的白油作為通入中空腔的物質(zhì)，控制白油和紡絲漿液的溫度和流量大小、噴絲頭的溫度以及卷繞速度，采用冰水作為凝固浴，紡出光滑，均勻的凍膠絲。 以二甲苯作為萃取劑，由于超聲波作用加快了擴(kuò)散分子的運(yùn)動速度，進(jìn)行超聲萃取時溶劑的擴(kuò)散系數(shù)D比靜置萃取時大；而D是萃取時間t內(nèi)的平均擴(kuò)散系數(shù)，因此D隨著時間t的增大而減小；實心凍膠絲的擴(kuò)散系數(shù)D要比空心凍膠絲的大。通過各種測試手段，研究分析了拉伸過程

7、中纖維結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著拉伸倍數(shù)的增加，UHMWPE纖維的力學(xué)性能呈上升趨勢，強(qiáng)度和模量逐漸增加，而纖維的斷裂伸長率逐漸下降；纖維的取向度和結(jié)晶度隨之提高，抗蠕變性逐漸增強(qiáng)；拉伸過程中纖維大分子鏈迅速沿拉伸方向取向，其聲速取向因子隨拉伸倍數(shù)的增加而增大并逐漸趨于一平衡值；纖維松弛DSC圖譜上僅有一個吸熱的熔融峰，而張緊DSC圖譜上在主熔融峰前后出現(xiàn)了二個小肩峰，這說明在張緊狀態(tài)下出現(xiàn)了小部分正交晶系向六方晶系的相轉(zhuǎn)變；纖維