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| | 高強(qiáng)聚乙烯纖維的產(chǎn)業(yè)化及其復(fù)合材料應(yīng)用 |
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| 文章來源：中國纖維網(wǎng)
添加人：service4
添加時間：2021-1-15 |
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高強(qiáng)PE纖維又叫超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維，它是20世紀(jì)70年代末研制成功并于80年代初進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的一種高性能纖維，與碳纖維、芳綸并稱為當(dāng)今世界三大高科技纖維。
UHMWPE纖維具有高度取向的伸直鏈結(jié)構(gòu)，與碳纖維、芳綸纖維相比較，UHMWPE纖維的強(qiáng)度更高；質(zhì)量更輕，密度只有0.97g/cm3；化學(xué)穩(wěn)定性更好；具有很強(qiáng)的化學(xué)惰性，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液及有機(jī)溶劑對其強(qiáng)度沒有任何影響；具有很好的耐候性，經(jīng)1500h日曬后，纖維強(qiáng)度保持率仍然高達(dá)80%，耐紫外性能非常優(yōu)越；耐低溫性好，使用溫度可以低至-150℃；之外，UHMWPE纖維的耐磨耐彎曲性能、張力疲勞性能、抗切割性能也是現(xiàn)有高性能纖維中最強(qiáng)的。在安全、防護(hù)、航空、航天、國防裝備、車輛制造、造船業(yè)、體育界發(fā)揮著舉足輕重的作用。除此之外，UHMWPE纖維在民用工業(yè)領(lǐng)域作為抗沖擊、減震材料及高性能輕質(zhì)復(fù)合材料也有著廣闊的應(yīng)用前景。
2高強(qiáng)聚乙烯纖維研發(fā)特點(diǎn)
聚乙烯具有亞甲基(-CH2-CH2-)相連的大分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)聚乙烯纖維所用的原料UHMWPE存在有大量無規(guī)線團(tuán)的非晶區(qū)和折疊鏈的晶體結(jié)構(gòu)。在超倍牽伸時，其大分子鏈的高度取向、使晶區(qū)及非晶區(qū)的大分子充分伸展，形成了高度結(jié)晶的伸直鏈超分子結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)聚乙烯纖維的優(yōu)越性能完全是由于它的這種超分子結(jié)構(gòu)決定的。
高強(qiáng)聚乙烯纖維是20世紀(jì)70年代由英國利茲大學(xué)的Capaccio和Ward首先研制成功，當(dāng)時所用的聚乙烯分子量只有10萬。此后荷蘭DSM公司利用十氫奈做溶劑發(fā)明了凝膠紡絲法，制備出了UHMWPE纖維，并于1979年申請了專利，1990年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。美國的聯(lián)合信號公司(AlliedSignal)購買了荷蘭專利，把溶劑換成了礦物油，申報了自己的專利，于1988年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，其纖維商品名為Spectra900，Spectra1000。荷蘭DSM公司1984年開始與日本東洋紡織(株)滋賀工廠合資建50噸/月的中試工廠，纖維商品名為DyneemaSK-60。1990年DSM公司開始在本國荷蘭Heerlern的一個工廠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。日本的另一家企業(yè)三井石化公司在1983年采用凝膠擠壓超倍拉伸法，以石蠟作溶劑，生產(chǎn)高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，商品名為Tekmilon。寧波大成聯(lián)合科研院所從1996年開始，歷時4年，發(fā)明了混合溶劑，并申請了專利，于2000年實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。大成凍膠紡絲的
超高分子量聚乙烯→(溶脹溶解)紡絲溶液→(雙螺桿紡絲冷卻固化)含大量溶劑的初生凍膠纖維→(萃取干燥)干凍膠纖→(多級多段熱位伸卷繞)成品纖維
圖1大成凍膠紡絲工藝流程
凍膠紡絲法涉及的第一個問題就是UHMWPE的溶脹和溶解，溶解過程實(shí)質(zhì)上是大分子的解纏過程，溶劑的種類、溶液的濃度、溶劑的滲透速率、溶解溫度、攪拌與否等諸因素都與大分子的解纏效果密切相關(guān)。適當(dāng)濃度的聚合物溶液經(jīng)過雙螺桿的擠壓均化，且在紡絲過程中產(chǎn)生流動和形變，在凝固浴中絲條發(fā)生熱量交換而固化，同時必須考慮防止絲條間的相互粘合，因?yàn)檫@會影響到纖維的后拉伸過程和最終纖維的品質(zhì)。凍膠初生態(tài)纖維中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(纏結(jié)點(diǎn))的形成及控制是此后能否經(jīng)過超倍牽伸形成伸直鏈結(jié)構(gòu)的另一關(guān)鍵因素。絲條中溶劑的含量高達(dá)50%左右，溶劑和氣泡的排除，牽伸過程中拉伸流動所發(fā)生的大分子取向，應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶及最終高度結(jié)晶伸直鏈結(jié)構(gòu)的形成是一個系統(tǒng)工程。伴隨這一過程會發(fā)生擴(kuò)散、傳熱和傳質(zhì)、物理狀態(tài)的變化、幾何形態(tài)及化學(xué)結(jié)構(gòu)相互交叉的變化，彼此影響，構(gòu)成了紡絲過程控制的復(fù)雜性。
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