超高聚乙烯纖維1課件

超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）1.特性●20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的第三代高強(qiáng)高模纖維。●相對(duì)分子質(zhì)量為100～600萬,●分子形狀為具有方向性線型伸直鏈結(jié)構(gòu),

●取向度接近100%,●強(qiáng)度是當(dāng)今纖維之最,相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)鋼材的15倍左右,比碳纖維大2倍,比芳綸纖維大40%,●密度為0.97g/cm3,是唯一能夠浮在水面上的高性能纖維,是芳綸的2/3，是碳纖維的1/2.●還具有耐紫外線輻射、耐化學(xué)腐蝕、比能量吸收高、介電常數(shù)低、電磁波透射率高、摩擦系數(shù)低及突出的抗沖擊、抗切割等優(yōu)異性能。2.發(fā)展及現(xiàn)狀1979年荷蘭DSM公司采用凝膠紡絲與超倍拉伸方法在實(shí)驗(yàn)室制得了高強(qiáng)高模UHMWPE纖維，1990年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。日本東洋紡公司于1991年根據(jù)DSM的專利技術(shù)建廠，市場(chǎng)和產(chǎn)能不斷擴(kuò)大。美國(guó)聯(lián)合信號(hào)公司1995年開發(fā)成功Spectra纖維，模量較高，1998年產(chǎn)能翻番。日本三井石化公司效率高，但殘余溶劑難以徹底萃取掉，蠕變較大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。我國(guó)已有兩家企業(yè)可生產(chǎn)出強(qiáng)度高于35cN/dtex的品種，產(chǎn)能也日益提高，市場(chǎng)前景十分廣闊。3.應(yīng)用及發(fā)展前景（1）應(yīng)用宇航，航天，航空，戰(zhàn)爭(zhēng)裝備等：航天航空結(jié)構(gòu)件、雷達(dá)罩、運(yùn)鈔車防彈裝甲、直升機(jī)防彈裝甲；織物防護(hù)系列：軟質(zhì)防彈服、防刺衣、輕質(zhì)防彈頭盔、防護(hù)手套、防切割用品；繩纜索網(wǎng)線類：艦艇及遠(yuǎn)洋船舶纜繩、輕質(zhì)高壓容器、深?？癸L(fēng)浪網(wǎng)箱、漁網(wǎng)、賽艇、帆船、滑雪撬等的理想材料。無紡織物類：防彈背心（2）前景及研究方向由于UHMWPE纖維性能優(yōu)異,應(yīng)用潛力巨大,受到了國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注。UHMWPE纖維今后研究及應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)為:繼續(xù)研究新的紡絲方法,提高生產(chǎn)效率,降低成本;提高UHMWPE纖維的結(jié)晶度和取向度,提高力學(xué)性能;繼續(xù)研究切實(shí)可行的表面處理方法,降低蠕變性能,擴(kuò)大UHMWPE纖維在航空航天、光纜增強(qiáng)纖維、復(fù)合材料、耐壓容器等方面的應(yīng)用?？傊?UHMWPE纖維是很有發(fā)展及應(yīng)用潛力的高科技纖維,加強(qiáng)這方面的研究工作,開創(chuàng)屬于我們自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新成果,必將對(duì)我國(guó)的國(guó)防及經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面作出大的貢獻(xiàn)。4.制備

聚乙烯是柔性鏈半結(jié)晶的高聚物，而且是層晶結(jié)構(gòu)，可以通過高拉伸率的凝膠紡絲法或擠拉法紡絲，由于聚乙烯無龐大側(cè)基，結(jié)晶度好，能進(jìn)行高倍拉伸，可制成有序取向伸直鏈的高模聚乙烯纖維。原料：高分子量線性聚乙烯制備方法：凝膠法（溶液紡絲）熔融紡絲法關(guān)鍵技術(shù)：高倍拉伸橡膠彈性理論：交聯(lián)點(diǎn)之間的統(tǒng)計(jì)鏈節(jié)數(shù)越大，可拉伸倍數(shù)越大。要求：降低分子之間的纏結(jié)點(diǎn)密度

凝膠紡絲-超倍拉伸法原理：把超高分子量的聚乙烯(PE)溶解于溶劑（十氫化萘等）制成濃度為2%～10%的紡絲液,從噴絲孔噴出,低溫下凝固成含有大量溶劑的凝膠狀絲條,被形象的稱作凝膠紡絲,再對(duì)凝膠狀絲條除去溶劑后進(jìn)行超倍熱拉伸,得到了高強(qiáng)高模PE纖維。目的：在于使相互纏結(jié)的UHMWPE分子在溶劑中舒展解纏,紡成直徑為幾個(gè)厘米的凝膠狀絲條,分子的這種舒展解纏狀態(tài)在凝膠狀絲條中得以保持,然后經(jīng)過數(shù)百倍的多級(jí)拉伸得到纖度為200dtex～5000dtex的高強(qiáng)高模UHMWPE纖維。

從微觀結(jié)構(gòu)上看超倍拉伸后的纖維大分子沿纖維軸方向得到了充分的舒展和伸直,取向度和結(jié)晶度顯著提高,大分子的末端數(shù)少,從而實(shí)現(xiàn)了UHMWPE纖維的高強(qiáng)高模。影響紡絲成型的因素：溶液的濃度：溶液太稀，雖然大分子間纏結(jié)少，易保持原有形態(tài)，但拉伸速度很慢，不利于伸展；濃度較大，纏結(jié)點(diǎn)太多，同樣無法達(dá)到高倍拉伸的目的因此適宜的濃度：半稀狀態(tài)，一般為0.2%--10%左右。超倍拉伸：在拉伸初始階段，高聚物的結(jié)晶層破壞成為小結(jié)晶塊，它們沿著拉伸方向與無定形區(qū)交替形成微纖維，在原結(jié)構(gòu)中連結(jié)著不同層晶的連結(jié)分子，變?yōu)榫K間的連結(jié)分子，位于微纖維的邊界層。進(jìn)一步拉伸時(shí)，微纖維產(chǎn)生剪切變形，同時(shí)完全伸直的連結(jié)分子數(shù)增加，在較高的拉伸溫度下，排列整齊的連結(jié)分子，可能結(jié)晶化為長(zhǎng)的伸直鏈結(jié)晶。它的分子結(jié)構(gòu)是具有-c—c-主鏈化學(xué)鍵，主鍵間具有很高的結(jié)合強(qiáng)度。分子的取向程度控制HMPE纖維的模量。在拉伸初期結(jié)晶度隨拉伸倍數(shù)的增加呈直線上升，當(dāng)拉伸倍數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，隨拉伸倍數(shù)的增加，結(jié)晶度增長(zhǎng)減慢并趨于平衡。提高超高倍拉伸的方法：①提高相對(duì)分子量：分子量越高越易進(jìn)行高倍拉伸②增加非晶區(qū)縛結(jié)分子的含量③減少晶區(qū)折疊連的含量，增加伸直鏈的含量④盡可能將非晶區(qū)均勻分散到連續(xù)的結(jié)晶基質(zhì)中凝膠紡絲法制備的UHMWPE纖維的形態(tài)特征：(1)分子量很大，為(1—5)×106，比一般PE的分子量(5×104-5×105)高得多。(2)UHMWPE纖維的分子高度結(jié)晶取向，其取向度接近100％。(3)從分子結(jié)構(gòu)看，伸直鏈聚乙烯由高度取向的分子束組成，使其具有很高的軸向強(qiáng)度和模量。而一般的PE有許多彎折的鏈。微觀結(jié)構(gòu)：UHMPE纖維的直徑在20一40μm范圍內(nèi)UHMPE纖維不是圓柱形的，是形狀不規(guī)則的纖維。凝膠紡絲-超倍拉伸法的綜合評(píng)價(jià)凝膠紡絲法生產(chǎn)高強(qiáng)高模UHMWPE纖維的生產(chǎn)周期長(zhǎng),設(shè)備復(fù)雜,溶劑價(jià)貴,產(chǎn)率低,成本高。5.性能優(yōu)良的力學(xué)性能：纖維相對(duì)密度為0.97，具有很高的軸向性能，比拉伸強(qiáng)度和比剛度高。優(yōu)良的耐沖擊性能：Tg低熱塑性纖維，韌性好在塑性形變過程中能吸收能量，高應(yīng)變率和低溫下具有良好的力學(xué)性能。良好的抗?jié)裥浴⒖够瘜W(xué)腐蝕性能優(yōu)越的耐磨性能良好的電絕緣和耐光性能耐切割性能影響拉伸性能的因素聚乙烯的分子量和制造時(shí)的拉伸比是影響UHMWPE纖維性能的主要因素。一般情況下拉伸比越高，分子的取向度越高，拉仲模量和強(qiáng)度隨之提高。但拉伸比與PE的分子量大小與工藝條件有關(guān)。UHMWPE纖維性能研究趨勢(shì)（1）UHMWPE纖維的蠕變?nèi)渥兪怯袡C(jī)纖維存在的主要問題之一，UHMWPE纖維的蠕變比一般有機(jī)纖維小。但仍比芳綸纖維大。UHMWPE纖維蠕變產(chǎn)生的原因：其結(jié)構(gòu)為線型結(jié)構(gòu),主鏈由亞甲基基團(tuán)組成,分子鏈之間沒有像氫鍵那樣強(qiáng)的相互作用,分子結(jié)構(gòu)中存在著結(jié)晶部分和非結(jié)晶部分,結(jié)晶和非結(jié)晶態(tài)有一個(gè)非常復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。采用電子束交聯(lián)法可改善UHMWPE纖維的蠕變性能。UHMWPE纖維和蠕變性能好的纖維(如碳纖維、芳綸纖維)混雜，將能明顯的改善蠕變性能。（2）UHMWPE纖維表面處理UHMWPE纖維大分子鏈上為無極性基團(tuán)—CH2—,取向度高,纖維表面平滑,使UHMWPE纖維與樹脂基體粘接性差,限制了UHMWPE纖維在復(fù)合材料等方面的應(yīng)用。因此對(duì)UHMWPE纖維的表面進(jìn)行改性處理,提高其和樹脂基體的粘接性能,擴(kuò)大在復(fù)合材料中的應(yīng)用一直是UHMWPE研究熱點(diǎn)。UHMWPE纖維表面處理效果可用DSC、斷裂強(qiáng)度