超高聚乙烯纖維實用教案

1、3.應(yīng)用及發(fā)展前景（1）應(yīng)用宇航，航天，航空，戰(zhàn)爭裝備等：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( jintng)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：防彈背心第1頁/共28頁第一頁，共29頁。復(fù)合材料類： 環(huán)氧樹脂是纖維增強(qiáng)(zngqing)高聚物復(fù)合材料的主要基體材料，也是超高模聚乙烯纖維增強(qiáng)(zngqing)復(fù)合材料的重要基體。聚乙烯基UHMWPE纖維增強(qiáng)(zngqing)復(fù)合材料第2頁/共28頁第二頁，共29頁。（2）前景及

2、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(un ln)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)屬于我們自己知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新成果,必將對我國的國防及經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面作出大的貢獻(xiàn)。第3頁/共28頁第三頁，共29頁。4.制備 聚乙烯是柔性鏈半結(jié)

3、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)點之間的統(tǒng)計鏈節(jié)數(shù)越大，可拉伸倍數(shù)越大。要求(yoqi)：降低分子之間的纏結(jié)點密度 第4頁/共28頁第四頁，共29頁。 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(dling)溶劑的凝膠狀絲條,被形象的稱作凝膠紡絲,再對凝膠狀絲條除

4、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)百倍的多級拉伸得到纖度為200dtex5000dtex 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,從而實現(xiàn)了UHMWPE 纖維的高強(qiáng)高 模。第5頁/共28頁第五頁，共29頁。凝膠法所選溶劑：十氫化萘溶劑礦物油溶劑石蠟溶劑乳化混合油劑煤油、汽油(qyu)等溶劑采用干濕法，即原液自噴絲孔噴出以后，

5、先經(jīng)過一段幾厘米的空氣層，在進(jìn)入凝固浴冷卻成型。第6頁/共28頁第六頁，共29頁。 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)點太多，同樣無法達(dá) 到高倍(o bi)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。第7頁/共28頁第七頁，共29頁。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，微纖維產(chǎn)生剪切變形，同時完全伸直(shn zh)的連結(jié)分子

6、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)晶化為長的伸直(shn zh)鏈結(jié)晶。它的分子結(jié)構(gòu)是具有-cc-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。第8頁/共28頁第八頁，共29頁。 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(d do)一定值時，隨拉伸倍數(shù)的增加，結(jié)晶度增長減慢并趨于平衡。第9頁/共28頁第九頁，共29頁。 取向度與結(jié)晶度相似，在拉伸初期，取向度迅速提高，對提高纖維的強(qiáng)度(qingd)和模量起主要作用，但是達(dá)到一定拉伸倍數(shù)時，取向度趨于平衡值，但纖維的強(qiáng)度(qingd)仍在提高，這可能是由于取向度不變，而晶區(qū)與非情

7、趣的序態(tài)結(jié)構(gòu)更完整所致。第10頁/共28頁第十頁，共29頁。第11頁/共28頁第十一頁，共29頁。提高超高倍拉伸的方法：提高相對分子量：分子量越高越易進(jìn)行高倍拉伸增加非晶區(qū)縛結(jié)分子的含量(hnling)減少晶區(qū)折疊連的含量(hnling)，增加伸直鏈的含量(hnling)盡可能將非晶區(qū)均勻分散到連續(xù)的結(jié)晶基質(zhì)中第12頁/共28頁第十二頁，共29頁。凝膠紡絲法制備的UHMWPE纖維的形態(tài)特征：(1)分子量很大，為(15)106，比一般PE的分子量(5104-5105)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

8、具有很高的軸向強(qiáng)度(qingd)和模量。而一般的PE有許多彎折的鏈。第13頁/共28頁第十三頁，共29頁。圖1 伸直鏈聚乙烯纖維(xinwi)與一般PE的分子形態(tài) (a)伸直鏈聚乙烯纖維(xinwi) (b)一般PE纖維(xinwi)第14頁/共28頁第十四頁，共29頁。微觀結(jié)構(gòu)：UHMPE纖維(xinwi)的直徑在20一40m范圍內(nèi) UHMPE纖維(xinwi)不是圓柱形的，是形狀不規(guī)則的纖維(xinwi)。 第15頁/共28頁第十五頁，共29頁。第16頁/共28頁第十六頁，共29頁。凝膠紡絲(fn s)-超倍拉伸法的綜合評價凝膠紡絲(fn s)法生產(chǎn)高強(qiáng)高模UHMWPE 纖維的生產(chǎn)周期長,

9、設(shè)備復(fù)雜,溶劑價貴,產(chǎn)率低,成本高。第17頁/共28頁第十七頁，共29頁。 熔融紡絲法 石蠟作稀釋劑，聚合物濃度為25%，少量的抗氧劑，經(jīng)共混造粒后采用熔紡技術(shù)制成初生纖維，再在溶劑汽油中萃取，經(jīng)不同拉伸倍數(shù)制成拉伸樣品。 采用熔融紡技術(shù)，可使UHMWPE含量大大增加，有利于提高生產(chǎn)(shngchn)效率，降低成本。第18頁/共28頁第十八頁，共29頁。5.性能優(yōu)良的力學(xué)性能：纖維相對密度為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(nngling)，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?、抗化學(xué)腐蝕性能優(yōu)

10、越的耐磨性能良好的電絕緣和耐光性能耐切割性能第19頁/共28頁第十九頁，共29頁。 影響拉伸性能的因素 聚乙烯的分子量和制造時的拉伸比是影響 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(dxio)與工藝 條件有關(guān)。第20頁/共28頁第二十頁，共29頁。 UHMWPE纖維性能研究趨勢 （1）UHMWPE纖維的蠕變 蠕變是有機(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)(j tun)組成,分子 鏈之間沒

11、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)有一個非常復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。第21頁/共28頁第二十一頁，共29頁。研究發(fā)現(xiàn)結(jié)晶區(qū)的軸向模量比微纖維間的無定形區(qū)要大，因此在破壞時結(jié)晶相起決定性作用，并且力學(xué)性能明顯受溫度影響，在低于5時，分子結(jié)構(gòu)(fn z ji u)仍保持證方晶系形態(tài)，連接分子不易移動，不會從晶塊中拔出，此時控制破壞的是c-c共價鍵，當(dāng)相變?yōu)榱骄禃r，分子鏈移動。第22頁/共28頁第二十二頁，共29頁。 采用電子束交聯(lián)法可改善UHMWPE纖維的蠕變性能(xngnng)。 UHMWPE纖維和蠕變性能(xngnng)好的纖維(如碳纖維、芳綸纖維)

12、混雜，將能明顯的改善蠕變性能(xngnng)。第23頁/共28頁第二十三頁，共29頁。（2）UHMWPE纖維表面處理(chl)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UHMWPE 纖維的表面進(jìn)行改性處理(chl),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。第24頁/共28頁第二十四頁，共29頁。 UHMWPE 纖維(xinwi)表面處理方法有 物理方法： 依據(jù)高分子的結(jié)晶不完整性,即高分子材料不可能達(dá)到100 %結(jié)晶,非結(jié)晶部分容

13、易溶于二甲苯中,結(jié)晶部分不溶于二甲苯,經(jīng)二甲苯處理后在UHMWPE纖維(xinwi)表面產(chǎn)生刻蝕現(xiàn)象,形成凸凹不平的表面,增大了纖維(xinwi)與樹脂的接觸面積,增加了纖維(xinwi)與樹脂基體的結(jié)合力。第25頁/共28頁第二十五頁，共29頁。 化學(xué)方法：用強(qiáng)氧化劑對UHMWPE 纖維進(jìn)行處理,在其表面形成活性點或極性基團(tuán),增加 UHMWPE 纖維和樹脂基體之間的粘接性。 化學(xué)法處理常用的處理劑有鉻酸、有機(jī)(yuj)過氧化物、氯磺酸、硝酸、高錳酸鉀、磷酸等。 等離子體：,常用的等離子體系有氦氣、氮氣、氧氣、氬氣、空氣和氨等離子體。等離子處理有等離子焊接法和等離子紫外接枝法兩種方法。 輻射交聯(lián)、電暈、光氧化、光致交聯(lián)等第26頁/共28頁第二十六頁，共29頁。 UHMWPE 纖維表面處理效果可用DSC、斷裂強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度等進(jìn)行表征,這些數(shù)據(jù)很能說明對纖維表面的處理效果。 對于溶劑及化學(xué)試劑對UHMWPE 纖維表面的刻蝕作用可用處理前后的失重率來表示,也可用電子顯微鏡直接觀察(gunch)處理前后纖維表面的光滑程度;對于纖維表面接枝或產(chǎn)生新的極性官能團(tuán),可用化學(xué)滴定方法、表面的紅外光譜、表面元素分析(XPS) 等來表征。第27頁/共28頁第二十七頁，共29頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第28頁/共28頁第二十八頁，共29頁。No