CN102115937A - 一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，包括：将超高分子量聚乙烯长纤维在40℃～60℃的条件下预热；将预热后的超高分子量聚乙烯长纤维进行卷曲；将卷曲后的超高分子量聚乙烯长纤维依次进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥，所述第一级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的下方吹向上方，所述第二级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方，所述第三级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方；将干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维切断成50mm～100mm的短纤。采用由本发明制备的超高分子量聚乙烯短纤维制得的防刺面料具有均一的力学性能，且具有较高的防刺等级。

Description

一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及安全防护领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法。

背景技术

防刺面料在安全防护领域有着重要的应用，使用者身着由防刺面料制备的防刺服能够有效抵御外来袭击，从而了保障人身和财产的安全。

传统的防刺面料多是由芳纶纤维为原料制备，但芳纶的价格较为昂贵。为了降低生产成本，出现了以PE(聚乙烯)纤维为原料制备防刺面料的工艺，中国专利文献CN101357010A公开了一种软质防刺鞋垫的制作方法，在该专利中，是将一层或多层的PE无纺布与一层或多层的PE机织布复合压制成型，该方法中PE无纺布的制备过程为：先由PE长纤维切制备PE短纤，然后将PE短纤进行针刺处理制得PE无纺布。这种方法的缺点在于，PE纤维的韧性较差，从而影响了防刺面料的防刺性能，并且在对PE纤维进行切割前需对其进行干燥处理，现有的干燥方法是将纤维进行由下至上的单方向加热，易造成纤维局部受热，影响纤维的力学性能，从而使制得的防刺面料的防刺性各向均匀性不好，各别方向防刺性能差。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维也称高强高模聚乙烯(HSHMPE)纤维或伸长链(ECPE)聚乙烯纤维，它是由相对分子质量在(1～6)×10⁶的聚乙烯经纺丝、超拉伸后制得。超高分子量聚乙烯纤维复合材料较其他纤维增强复合材料具有更轻的质量，更好的介电性和耐冲击性，因此被广泛应用于航空航天、海域防御、武器装备等领域。由此，本发明人考虑以超高分子量聚乙烯纤维为原料制备防刺面料，用以提高防刺面料的力学性能。用超高分子量聚乙烯纤维制备防刺面料的过程为：制备超高分子量聚乙烯短纤维→开松→梳理→铺网→针刺→上胶→热压成型。但由于超高分子量聚乙烯纤维与普通聚乙烯纤维的力学性能存在较大差异，因此现有技术中制备PE短纤维的工艺不适用于制备超高分子量聚乙烯短纤维。因此需要提供一种用于制备超高分子量聚乙烯短纤的方法，由该方法制备的超高分子量短纤维用于制备防刺面料，可以使制备的面料各处具有均一的、较高的防刺性。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种用于制备超高分子量聚乙烯短纤的方法，由该方法制备的超高分子量短纤维用于制备防刺面料，可以使制备的面料各处具有均一的、较高的防刺性。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，包括：

预热：将超高分子量聚乙烯长纤维在40℃～60℃的条件下预热；

卷曲：将预热后的超高分子量聚乙烯长纤维进行卷曲；

干燥：将卷曲后的超高分子量聚乙烯长纤维依次进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥，所述第一级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的下方吹向上方，所述第二级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方，所述第三级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方；

切割：将干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维切断成50mm～100mm的短纤。

优选的，所述预热中纤维的预热温度为45℃～55℃。

优选的，所述预热的过程具体为：将超高分子量聚乙烯长纤维通过热辊进行预热。

优选的，所述干燥过程中，第一级干燥的温度为70℃～120℃。

优选的，所述干燥过程中，第二级干燥的温度为60℃～110℃。

优选的，所述干燥过程中，第三级干燥的温度为50℃～100℃。

优选的，所述第一级干燥、第二级干燥和第三级干燥的的干燥车速为80m/min～100m/min。

优选的，在对超高分子量聚乙烯长纤维进行预热前，还包括：将超高分子量聚乙烯长纤维均匀铺展。

优选的，所述将超高分子量聚乙烯长纤维均匀铺展的过程具体为：将超高分子量聚乙烯纤长维以≤0.1g/d的牵引力通过摩擦体，使纤维带上高压静电而均匀铺展，所述摩擦体是氧化铬、氧化镁或氧化铝材质或其材质涂层的多边菱形体或圆形体；

消除纤维上的高压静电。

优选的，所述消除纤维上的高压静电具体为：将带有静电的超高分子量聚乙烯长纤维与碳纤维摩擦刷接触，消除纤维上的静电。

本发明提供一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，该方法将超高分子量聚乙烯长纤维先进行预热，消除纤维的内应力，增进卷曲效果，且方便后续的切割工序。将纤维进行卷曲后依次进行第一级干燥、第二级干燥和第三级干燥，第一干燥中控制热风吹送方向为从超高分子量聚乙烯长纤维的下方吹向上方，使纤维表面大部分水分蒸发干燥；第二级干燥中控制热风吹送方向为从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方，避免传送带温度过高造成的超高分子量聚乙烯长纤维局部受热，稳定超高分子量聚乙烯长纤维的力学性能；第三级干燥中控制热风吹送方向为从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方，使纤维表面水分充分蒸发，易于后续的上胶过程，进而使由本发明制备的超高分子量聚乙烯短纤维制得的防刺面料具有均一的力学性能，且具有较高的防刺性能。

附图说明

图1干燥过程的流程示意图；

图2铺展纤维装置示意图；

图3静电消除装置示意图。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，包括：

预热：将超高分子量聚乙烯长纤维在40℃～60℃的条件下预热；

卷曲：将预热后的超高分子量聚乙烯长纤维进行机械卷曲卷曲；

干燥：将卷曲后的超高分子量聚乙烯长纤维依次进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥，所述第一级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方，所述第三级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方；

切割：将干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维切成50mm～100mm的短纤。

对于超高分子量聚乙烯的纺丝方法，优选为凝胶纺丝方法制备的纤维，例如可以通过在专利GB2042414A或WO01/73173中所描述的凝胶纺丝工艺来制备。凝胶纺丝工艺由以下步骤组成：制备具有高特性黏度的线性聚乙烯的溶液，将该溶液在高于溶解温度的温度下纺成丝，将该丝冷却到凝胶温度以下以产生凝胶，并且在除去溶剂之前、期间或以后拉伸丝以得到超高分子量聚乙烯纤维。按照本发明，优选采用重均分子量为(1.5～4.5)×10⁶的线性聚乙烯按照上述方法进行纺丝。

在将超高分子量聚乙烯长纤维进行卷曲前，为了增进卷曲效果，将纤维进行预热处理用以去除纤维的内应力。按照本发明，将超高分子量聚乙烯长纤维在40℃～60℃的范围内预热后可以有效去除纤维的内应力，优选的，将纤维在45℃～55℃进行预热。预热纤维时，可以采用热甬道预热，优选的，使纤维在45℃～55℃的热辊进行预热。对于加热辊的加热方式，本发明并无特别限制，可以在热辊内采用电加热、或者热空气加热等本领域技术人员熟知的方式。

超高分子量聚乙烯长纤维经预热后导入卷取机用本领域技术人员熟知的方法进行机械卷曲成形，对于卷曲机，可以使用本领域技术人员熟知的设备，本发明对此并无特别限制。

将卷曲后的超高分子量聚乙烯长纤维送入干燥机依次进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥，参见图1为本发明中干燥过程的流程示意图，将所述超高分子量聚乙烯长纤维4依次通过第一级干燥室1、第二级干燥室2、第三级干燥室3进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥，图中箭头的方向表示干燥过程中热风吹送的方向。

超高分子量聚乙烯长纤维4在进行第一级干燥前，纤维表面附着有大量的水分，在进行第一级干燥时，纤维表面的部分水分会变成水蒸气向上方运动，故第一级干燥时控制热风方向是从超高分子量聚乙烯长纤维4的下方吹至上方，加热方向与水蒸气运动方向一致，便于将纤维表面的大部分水分蒸发。

按照本发明，第一级干燥的加热温度优选为70℃～120℃，更优选为85℃～110℃，干燥车速优选为80m/min～100m/min。

超高分子量聚乙烯长纤维4经第一级干燥后表面仍残留部分水，需对超高分子量聚乙烯长纤维4继续进行第二级干燥，而此时传送带5的温度已升至60℃～70℃，接近超高分子量聚乙烯的玻璃化转变温度，故控制第二级干燥中的热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维4的上方吹至下方，减少传送带温度的进一步升高，防止超高分子量聚乙烯长纤维4局部受热，稳定超高分子量聚乙烯长纤维4的力学性能。

按照本发明，第二级干燥的加热温度优选为60℃～110℃，更优选为75℃～105℃，干燥车速优选为80m/min～100m/min。

将超高分子量聚乙烯长纤维4依次进行第一级干燥、第二级干燥后，纤维表面残余水量约为1％～1.5％，为了使超高分子量聚乙烯长纤维4表面的水分充分干燥，将超高分子量聚乙烯长纤维4进行第三级干燥，第三级干燥中，同样为了控制传送带的温度，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维4的上方吹至下方。

按照本发明，第三级干燥的加热温度优选为50℃～100℃，更优选为60℃～100℃，干燥车速优选为80m/min～100m/min。

对于干燥机，可以使用本领域技术人员熟知的设备，本发明对此并无特别限制。

将干燥后的纤维导入切割机按照本领域技术人员熟知的方法将其切割成50mm～100mm的短纤，优选切割成60mm～90mm的短纤，对于切割机可以使用本领域技术人员熟知的设备，本发明对此并无特别限制。

为了使超高分子量聚乙烯长纤维卷曲均匀、干燥均匀，在对纤维进行预热前，还包括：将超高分子量聚乙烯长纤维均匀铺展。铺展纤维时，可以采用专利US4916000中的技术：使纤维通过两根铺展棒，纤维与铺展棒的接触角度为40°～200°，然后对纤维施加0.3g/d～0.6g/d的张力使纤维铺展开。优选采用专利CN1291090C中描述的技术：使纤维以≤0.1g/d的牵引张力通过摩擦体摩擦使纤维带上静电铺展开，所述摩擦体是氧化铬、氧化镁或氧化铝材质或其材质涂层的多边棱形体或圆形体，摩擦体的数量可以是一个，也可以是多个。由于聚乙烯纤维是一种绝缘体，当其与绝缘性质的陶瓷材料摩擦时，极易带上负电，这种累积的静电可以高达万伏以上，纤维带上高压静电后，纤维之间互相排斥，可以均匀铺展。纤维带上静电均匀铺展开后，需要消除纤维上的静电，对于消除静电的方法，可以采用静电消除器，优选的，采用具有良好导电性能的碳纤维制成的摩擦刷与带静电纤维摩擦消除静电。具体流程示意图参见图2，纱架11上的超高分子聚乙烯纤维纱锭经过集束架12后集结成束，经由静电生成装置13后进入静电消除装置14，静电消除装置14包括由碳纤维制成的摩擦刷14a(参见图3)，由于碳纤维是优良的导体，并且具有很高的模量，因此不容易变形，可以和超高分子量聚乙烯长纤维保持充分的接触，带走静电，并且使用碳纤维作为摩擦体，不易对纤维造成损伤。

按照本发明，由超高分子量聚乙烯短纤维制备防刺面料的过程为：

将超高分子量聚乙烯短纤维送入开松机进行开松后导入梳理机进行梳理，将梳理后的超高分子量聚乙烯纤维在铺网机叠加铺网，优选将超高分子量聚乙烯短纤维进行三层铺网，然后将三层纤维网放入针刺机进行针刺工序，制得超高分子量聚乙烯无纺布，针刺密度优选为1000针/cm²～4000针/cm²。将所述无纺布用含有聚苯乙烯弹性体的胶粘剂进行上胶，所述聚苯乙烯弹性体优选为聚苯乙烯三嵌段共聚体，更优选为SEBS，如科腾(KARTON)公司生产的KARTON G-1650、KARTON D-1161，无纺布中的含胶量为5wt％～15wt％，更优选为8wt％～13wt％。将上胶后的超无纺布在80℃～100℃干燥后送入液压机进行热压成型，控制加热温度为80℃～150℃、压力为15Mpa～30Mpa、压制时间为5min～12min，热压成型后制得防刺面料。对于开松机、梳理机、针刺机和液压机可以使用本领域技术人员熟知的设备，本发明对此并无特别限制。

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明提供的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法进行进行描述。

实施例1

1、纤维均匀铺展

将400旦宁波荣溢化纤科技有限公司生产的RYX90超高分子量聚乙烯纤维放置在纱架上11，纱架上的纱锭经过集束架12后集结成束，经由静电生成装置13后进入静电消除装置14，消除静电。

2、预热

将均匀铺展的纤维经过热甬道在50℃的温度下预热。

3、卷曲。

4、干燥

将卷曲的超高分子量聚乙烯长纤维依次进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥：

4a、将预干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第一干燥室1进行第一级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维下方吹向上方，干燥温度设为105℃，车速设为90m/min；

4b、将经第一级干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第二干燥室2进行第二级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维上方吹向下方，干燥温度设为85℃，车速设为90m/min；

4c、将经第二级干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第三干燥室3进行第三级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙长烯纤维上方吹向下方，干燥温度设为75℃，车速设为90m/min。

5、切割

将干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维切断成75cm的短纤。

实施例2

1、纤维均匀铺展

本实施例中纤维均匀铺展过程同实施例1.

2、预热

将均匀铺展的纤维经过热甬道在42℃的温度下预热。

3、卷曲。

4、干燥

将卷曲的超高分子量聚乙烯长纤维依次进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥：

4a、将卷曲的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第一干燥室1进行第一级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维4下方吹向上方，干燥温度设为100℃，车速设为85m/min；

4b、将经第一级干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第二干燥室进2行第二级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维上方吹向下方，干燥温度设为70℃，车速设为85m/min；

4c、将经第二级干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第三干燥室3进行第三级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维上方吹向下方，干燥温度设为60℃，车速设为85m/min。

5、切割

将干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维切断成55cm的短纤。

实施例3

1、纤维均匀铺展

本实施例中纤维均匀铺展过程同实施例1.

2、预热

将均匀铺展的纤维经过热甬道在56℃的温度下预热。

3、卷曲。

4、干燥

将卷曲的超高分子量聚乙烯长纤维依次进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥：

4a、将卷曲的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第一干燥室1进行第一级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维下方吹向上方，干燥温度设为110℃，车速设为95m/min；

4b、将经第一级干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第二干燥室2进行第二级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维上方吹向下方，干燥温度设为100℃，车速设为95m/min；

4c、将经第二级干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维4导入第三干燥室3进行第三级干燥，控制热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维上方吹向下方，干燥温度设为95℃，车速设为95m/min。

5、切割

将干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维切断成85cm的短纤。

实施例4

1、预热

将400旦宁波荣溢化纤科技有限公司生产的RYX90超高分子量聚乙烯纤维经过热甬道在50℃的温度下预热。

2、卷曲。

3、干燥

本实施例中干燥过程同实施例1。

4、切割

本实施例中切割过程同实施例1。

将实施例1至4制备的超高分子量聚乙烯纤维按照如下步骤制备防刺面料，制备的防刺面料编号依次为a、b、c、d：

将实施例1制备的超高分子量聚乙烯短纤维进行开松、梳理；

将梳理后的超高分子量聚乙烯纤维在铺网机进行三层叠加铺网；

将三层纤维网进行针刺，制得超高分子量聚乙烯无纺布，针刺密度为3000针/cm²；

将所述无纺布导入上胶槽中进行上胶，无纺布中的含胶量为10wt％，上胶槽中盛有如下成分的胶粘剂：

KARTON G-1650            13wt％

松香                     2wt％

120号溶剂油(2，3-丁二酮  余量

将上胶后的纤维网在90℃干燥后热压成型，设置热压温度为110℃、压力为22Mpa、热压时间为8min，制得防刺面料。

将a、b、c、d四块样布分别沿对角线方向截取三块50cm×50cm的测试布料，编号依次为a1、a2、a3，b 1、b2、b3，c 1、c2、c3，d1、d2、d3，将所述测试布料进行耐刺穿试验。

耐刺穿试验测试标准：将质量为2.6kg的双尖刀匕首以一定高度置于测试布料上方，匕首下落次戳测试布料，观察布料刺破程度，刺破程度分为三个等级：未刺穿，轻微刺破，完全刺穿，测试结果列与表1。

表1耐刺穿性能测试结果

上述结果可知，按照本发明提供的方法制备超高分子量聚乙烯短纤，在由此短纤经开松、梳理、铺网、针刺、上胶、热压成型后制得的防刺面料具有均一的力学性能，均至少可承受25J的刺戳能量，具有较高的防刺等级。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，包括：

预热：将超高分子量聚乙烯长纤维在40℃～60℃的条件下预热；

卷曲：将预热后的超高分子量聚乙烯长纤维进行卷曲；

干燥：将卷曲后的超高分子量聚乙烯长纤维依次进行第一级干燥、第二级干燥、第三级干燥，所述第一级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的下方吹向上方，所述第二级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方，所述第三级干燥中，热风方向从超高分子量聚乙烯长纤维的上方吹向下方；

切割：将干燥后的超高分子量聚乙烯长纤维切断成50mm～100mm的短纤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热中纤维的预热温度为45℃～55℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热的过程具体为：将超高分子量聚乙烯长纤维通过热辊进行预热。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥过程中，第一级干燥的温度为70℃～120℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥过程中，第二级干燥的温度为60℃～110℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥过程中，第二级干燥的温度为50℃～100℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一级干燥、第二级干燥和第三级干燥的干燥车速为80m/min～100m/min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对超高分子量聚乙烯长纤维进行预热前，还包括：将超高分子量聚乙烯长纤维均匀铺展。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将超高分子量聚乙烯长纤维均匀铺展的过程具体为：

将超高分子量聚乙烯长纤维以≤0.1g/d的牵引力通过摩擦体，使纤维带上高压静电而均匀铺展，所述摩擦体是氧化铬、氧化镁或氧化铝材质或其材质涂层的多边菱形体或圆形体；

消除纤维上的高压静电。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述消除纤维上的高压静电具体为：将带有静电的超高分子量聚乙烯长纤维与碳纤维摩擦刷接触，消除纤维上的静电。

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