粗旦超高分子量聚乙烯纤维的研制

摘要

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维因其优异的各项性能而被广泛应用于军事防弹、工业防护、防割及缆绳等多种领域，纤维制备工业化技术成熟，纤维商品种类繁多。工业上制备UHMWPE纤维一般采用冻胶纺丝法，但UHMWPE溶液浓度较低，使用大量的溶剂和萃取剂，溶剂回收负担大，会产生大量的浪费。并且纤维单丝较细，编制绳索时对纤维强度利用率低，绳索耐磨性差。本论文拟采用高浓度冻胶纺丝技术，制备单丝粗旦且高断裂强力的UHMWPE纤维，以提高制绳时纤维强度利用率并提高绳索的耐磨性。论文主要研究了不同分子量UHMWPE的高浓度冻胶纺丝工艺，并探讨了拉伸工艺对纤维力学性能、热性能、结晶性能、取向、形态结构、抗蠕变性能和耐磨性能的影响，同时对聚乙烯工业化生产的工艺计算进行了一定探讨。
　　论文采用分子量分别为100万、200万和400万的UHMWPE为原料，改变纺丝溶液浓度为10wt％-40wt%，螺杆转速为3.43r/min-10.13r/min，纺丝温度为250℃-310℃，制得了具有不同特性的UHMWPE纤维。通过实验可知三种分子量UHMWPE纤维的强度都随纺丝溶液浓度的增加而降低，原料分子量100万、200万和400万的条件下纤维断裂强力达最大时对应的最佳纺丝溶液浓度分别为30%、20%和10%；原料分子量100万的UHMWPE纤维，其力学性能随纺丝温度升高而降低，而原料分子量200万的纤维在纺丝温度为290℃时强度最高；三种分子量纤维断裂强度均随螺杆转速的增加而降低，并且纤维的断裂强力在螺杆转速6.30r/min达到最大。原料分子量100万和200万纤维熔点和DS C结晶度均随纺丝浓度的增大而减小，而分子量400万纤维熔点和DS C结晶度则随浓度增大而增大；原料分子量100万纤维熔点和DS C结晶度随纺丝温度升高而增大，而分子量200万纤维熔点和DS C结晶度则在纺丝温度290℃时达到最高；各纤维熔点和 DSC结晶度均随螺杆转速的增大而增大。原料分子量100万和200万萃取干燥纤维的取向度、结晶度和各晶面法线方向的晶粒尺寸均随纺丝溶液浓度的增大而减小。高浓度下制得萃取干燥纤维表面形态结构更加凹凸不平，低浓度下制得纤维表面相对更加光滑。分子量100万和200万制得纤维的最大拉伸倍数随溶液浓度的变化都存在一最佳值，分别为30wt%和20wt%；分子量200万制得纤维的最大拉伸倍数随纺丝温度的变化有最佳温度290℃；在螺杆转速值为6.30r/min下制得的纤维可拉伸性能最好。
　　随拉伸倍数增大，纤维力学性能增强，晶体结构更致密， UHMWPE纤维熔点、结晶度、取向度增加，纤维横向晶粒尺寸和晶面间距变小。随拉伸的进行，纤维表面凹凸不平微纤缠结结构逐渐被拉开伸直形成带有沟槽且微纤沿纤维轴向高度取向的结构，并出现毛丝裂纹等缺陷。纤维受到外界载荷越大，抗蠕变效果越差；纺丝浓度越低，纤维抗蠕变效果越好；纺丝温度290℃时制得纤维的抗蠕变性能最好；随拉伸倍数的增大，纤维初始和最终蠕变率均骤降。随溶液浓度的增大，制得UHMWPE拉伸纤维耐磨性能逐渐变好，但溶液浓度过高时纤维耐磨性又有一定降低；纤维的耐磨性还随着纤维拉伸倍数的增大而增大，随摩擦测试张力的增大而降低；纤维的耐磨性能与纤维的强度、断裂强力及纤维结晶取向性能都有关系，应该在保证UHMWPE纤维具有优良力学强度的前提下，制备单丝粗旦的高强高模UHMWPE纤维，有利于提高纤维的耐磨性能。
　　论文最后根据 UHMWPE纤维工业化生产时所涉及的纺丝工艺参数对纤维生产线的产量及纺制特定纤度纤维时所需的计量泵转速进行了工艺计算。采用高浓度冻胶纺丝制备单丝粗旦的UHMWPE纤维时，在其他纺丝工艺参数固定不变前提下，可大大提高UHMWPE纤维的单线产能，降低纤维的生产成本。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 UHMWPE纤维的国内外发展概况

1.3 UHMWPE纤维的性能

1.4 UHMWPE纤维的应用

1.5 UHMWPE纤维的制备方法

1.6 UHMWPE纤维改性研究

1.7本论文研究意义、研究内容和主要研究方法

第二章 不同分子量UHMWP E的高浓度冻胶纤维纺丝工艺研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4结论

第三章 粗旦UHMWP E纤维的拉伸工艺及纤维结构性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4结论

第四章 UHMWP E纤维工业化生产工艺的计算

4.1引言

4.2工艺计算

4.3结论

第五章 总结

参考文献

致谢