《高技术纤维概论》教学课件—01高强高模聚乙烯纤维.ppt

高技术纤维概论高技术纤维概论 High Strength, High Modulus Polyethylene Fiber 高强高模聚乙烯纤维高强高模聚乙烯纤维高强高模聚乙烯纤维简介高强高模聚乙烯纤维简介高强高模聚乙烯纤维高强高模聚乙烯纤维： 英文名High Strength High Modulus Polyethylene Fiber，简称HSHMPE纤维；外观为白色纤维，其密度比水小，是目前唯一一种能够漂浮在水面上的高性能纤维，具有优异物理机械性能其相对分子质量极高，主链结构好，具有最高的比强度，就强度而言，高强高模聚乙烯纤维是目前已经实现工业化生产纤维中强度最高的特种纤维高技术纤维概论国产和进口纤维截面国产和进口纤维截面SEMSEM照片照片HSHMPEHSHMPE纤维的诞生与发展历程纤维的诞生与发展历程荷兰荷兰DSM公司公司与日本东洋纺与日本东洋纺合资建厂，开合资建厂，开发了商品名为发了商品名为 Dyncema的的高模聚乙烯纤高模聚乙烯纤维维 荷兰荷兰DSM公司顾公司顾问问Penning、Smith等发明采用等发明采用冻胶纺丝方法冻胶纺丝方法- 超倍热拉伸技术制超倍热拉伸技术制备高模聚乙烯纤维备高模聚乙烯纤维 ；美国的美国的Allied公公司购买了该专利，司购买了该专利，开发出了开发出了Spectra系列产品系列产品Leeds大学的大学的Capaccio和和Ward，他们研制了相对，他们研制了相对分子质量约为分子质量约为105的高模量聚乙烯的高模量聚乙烯Massachusetts大大学的学的Porter采用固采用固态挤出法制成高模态挤出法制成高模PE(HMPE)纤维纤维 20世纪世纪70年代年代1979年年1984年年DSM公司采用公司采用的是以十氢萘的是以十氢萘为溶剂的技术为溶剂的技术路线，开发的路线，开发的系列产品系列产品Dyncema SK-77的纤维的纤维 1990年年国内对高强高模聚乙烯纤维的研究始于国内对高强高模聚乙烯纤维的研究始于20世纪世纪80年代初期年代初期高技术纤维概论牌号牌号纤纤度度(dtex)拉伸拉伸强强度度(GPa)断裂断裂强强力力(N)模量模量(GPa)伸伸长长率率(%)密度密度(g/cm3 )丝丝径径(m)单丝单丝数数(根根)单丝单丝纤纤度度(dtex)产产率率(m/g)熔点熔点()Spectra90053332.061130673.90.973848011.11.8815017782.14392624.40.97381509.65.6313332.40329733.60.973812011.17.507222.40178793.60.97386012.013.857222.22165664.10.97386012.013.85Spectra 1000239113721132.90.9723604.011.001504171031201033.10.9730607.024.007221012191013.30.97281206.013.80144498422983.40.97281206.06.90Spectra 20001442.74411132.80.97403.740.001502003.00621162.90.97504.050.002172.83641132.90.97603.760.00表表1-1 Spectra系列的产品性能参数系列的产品性能参数高技术纤维概论牌号牌号密度密度(g/cm3)强强度度(N/tex)拉伸拉伸强强度度(GPa)模量模量(N/tex)拉伸模量拉伸模量(GPa)断裂伸断裂伸长长(%)SK600.972.82.791893.5SK650.973.13.097953.6SK660.973.33.2101993.7SK750.973.53.41101073.75SK760.973.73.61201163.75SK770.974.03.91401373.75表表2-2 Dyncema系列产品的性能参数系列产品的性能参数高技术纤维概论国内外高强高模聚乙烯纤维的生产概况国内外高强高模聚乙烯纤维的生产概况 国外主要生产厂家：国外主要生产厂家：荷兰DSM高性能纤维公司 、日本东洋纺公司 、美国联合信号公司 、日本三井石化公司。

国内主要生产厂家：国内主要生产厂家：湖南中泰特种装备有限责任公司 、宁波大成新材料股份公司、山东爱地高分子材料有限公司 、上海斯瑞聚合体科技有限公司 高技术纤维概论表面结晶生长法表面结晶生长法超拉伸或局部拉伸法超拉伸或局部拉伸法固体挤出法固体挤出法凝胶纺丝凝胶纺丝超倍热拉伸法超倍热拉伸法1234高强高模聚乙烯纤维的主要制备方法高强高模聚乙烯纤维的主要制备方法高技术纤维概论高强高模聚乙烯纤维凝胶纺丝机理高强高模聚乙烯纤维凝胶纺丝机理 从分子结构看，聚乙烯是接近理论极限强从分子结构看，聚乙烯是接近理论极限强度的最理想高聚物，其分子具有度的最理想高聚物，其分子具有平面锯齿平面锯齿形的简单结构形的简单结构，没有庞大的侧基没有庞大的侧基，结晶度结晶度好好，分子链内无较强的结合键分子链内无较强的结合键这些结构这些结构特征是减少结构缺陷的重要因素，也是能特征是减少结构缺陷的重要因素，也是能顺利进行高倍热拉伸的关键顺利进行高倍热拉伸的关键max=Nc1/2按照按照经典橡胶弹性理论经典橡胶弹性理论，具有交联网络结，具有交联网络结构的各种成纤聚合物的构的各种成纤聚合物的最大拉伸倍数最大拉伸倍数( max)与交联点之间的与交联点之间的统计链节数统计链节数(Nc)的关的关系如上式所示；即交联点之间的统计链节系如上式所示；即交联点之间的统计链节数愈大，可拉伸倍数也愈大。

为了提高拉数愈大，可拉伸倍数也愈大为了提高拉伸倍数，就必须增加统计链节数，关键在伸倍数，就必须增加统计链节数，关键在于设法大幅度降低大分子之间的缠结点密于设法大幅度降低大分子之间的缠结点密度 图1-1 聚乙烯晶体结构式图高技术纤维概论1.尽可能提高聚合物大分子的相对分子质量；尽可能提高聚合物大分子的相对分子质量； 2.尽可能提高非晶区缚结分子的含量；尽可能提高非晶区缚结分子的含量；3.尽可能减少晶区折叠链的含量，增加伸直链的含量；尽可能减少晶区折叠链的含量，增加伸直链的含量；4.尽可能将非晶区均匀分散到连续的结晶基质中去尽可能将非晶区均匀分散到连续的结晶基质中去柔性链聚合物纤维的超高倍拉柔性链聚合物纤维的超高倍拉伸必须从以下伸必须从以下4 4个方面去努力个方面去努力：高技术纤维概论UHMWPE溶剂、抗氧化剂及助剂溶剂、抗氧化剂及助剂最终状态最终状态UHMWPE浓溶液浓溶液初生态凝胶纤维初生态凝胶纤维干凝胶纤维干凝胶纤维溶解、脱泡溶解、脱泡挤出、纺丝挤出、纺丝脱溶剂脱溶剂超倍热拉伸定型超倍热拉伸定型高强、高模量聚乙烯纤维高强、高模量聚乙烯纤维高强高模聚乙烯纤维凝胶纺丝的加工路线高强高模聚乙烯纤维凝胶纺丝的加工路线高技术纤维概论采用不同溶剂进行凝胶纺丝的工艺流程示意图采用不同溶剂进行凝胶纺丝的工艺流程示意图图1-2 十氢萘法进行高强高模聚乙烯纤维凝胶纺丝工艺流程示意图图1-3 矿物油法进行高强高模聚乙烯纤维凝胶纺丝工艺流程示意图高技术纤维概论凝胶丝条的形成凝胶丝条的形成图1-4 相对分子质量与冻胶纺丝液最佳浓度的关系1. 用溶剂来溶解，使纺丝原液具有用溶剂来溶解，使纺丝原液具有流动性流动性和和可纺性可纺性是实现纺丝成型的是实现纺丝成型的必要条件，但溶解的本质并不仅是必要条件，但溶解的本质并不仅是为了具有可纺性，而是利用为了具有可纺性，而是利用溶剂分溶剂分子的热运动子的热运动，达到体系中大部分大，达到体系中大部分大分子分子解缠结解缠结的目的。

的目的2. 在整个纺丝过程中，在整个纺丝过程中，纺丝原液的纺丝原液的浓度浓度是个关键问题唯有纺丝原液是个关键问题唯有纺丝原液浓度为半稀状态，凝胶丝条中有适浓度为半稀状态，凝胶丝条中有适当数量的缠结点和缠结分子存在，当数量的缠结点和缠结分子存在，使张力的传递能顺利进行，才能达使张力的传递能顺利进行，才能达到超倍拉伸的目的到超倍拉伸的目的高技术纤维概论步骤一步骤一 初期阶段，拉伸温初期阶段，拉伸温度较低，约度较低，约90133，拉伸黏，拉伸黏度是约度是约50kJ/mol，拉伸倍数在拉伸倍数在15倍以倍以下，此阶段是下，此阶段是肩颈肩颈拉伸拉伸，纤维结构主纤维结构主要发生折叠链片晶要发生折叠链片晶和分离的微纤运动，和分离的微纤运动，片晶叠转化为纤维片晶叠转化为纤维结构结构步骤二步骤二 随拉伸温度随拉伸温度(143145)和拉伸和拉伸倍数的提高，发生倍数的提高，发生的是的是均一拉伸均一拉伸，运，运动的折叠链片晶开动的折叠链片晶开始熔化，分离的微始熔化，分离的微纤逐渐聚集，纤维纤逐渐聚集，纤维形变增大，拉伸黏形变增大，拉伸黏度为度为150kJ/mol步骤三步骤三 当拉伸温度高于当拉伸温度高于143，分子运动激，分子运动激烈，聚集的微纤分烈，聚集的微纤分裂，熔化的折叠链裂，熔化的折叠链片晶解体，在拉伸片晶解体，在拉伸力的作用下重排成力的作用下重排成伸直链结晶，拉伸伸直链结晶，拉伸黏度达黏度达300600 kJ/molUHMWPE凝胶丝的超倍热拉伸一般须经凝胶丝的超倍热拉伸一般须经3个阶段：个阶段： 凝胶丝条的超倍拉伸凝胶丝条的超倍拉伸高技术纤维概论固体挤出法固体挤出法 本法是将高相对分子质量聚乙烯本法是将高相对分子质量聚乙烯(PE)置于置于挤出装置内，加热熔融挤出装置内，加热熔融PE并以每平方厘米并以每平方厘米几千千克的压力将熔体从锥形喷孔挤出，几千千克的压力将熔体从锥形喷孔挤出，随即进行随即进行高倍拉伸高倍拉伸。

在在高剪切力高剪切力和和拉伸张拉伸张力力作用下，作用下， 使使PE大分子链充分伸展，以大分子链充分伸展，以此来改善纤维的强度由于选用的此来改善纤维的强度由于选用的PE分子分子量受到工艺装备的限制，故制得纤维的强量受到工艺装备的限制，故制得纤维的强度在度在8.83cN/dtex以下DuPont公司最近采公司最近采用用Mw=1106的超高相对分子质量聚乙烯，的超高相对分子质量聚乙烯，制得的纤维强度可达制得的纤维强度可达19.4cN/dtex，但高压，但高压挤出很难进行工业化生产挤出很难进行工业化生产图1-5 固体挤出法示意图高技术纤维概论超拉伸或局部拉伸法超拉伸或局部拉伸法 图1-6 局部拉伸法示意图本法是将被拉伸的初生纤维本法是将被拉伸的初生纤维加热到结晶分散温度加热到结晶分散温度c(PE纤纤维维c=127)以上，进行以上，进行超倍超倍或局部拉伸或局部拉伸，使折叠链的大，使折叠链的大分子链充分伸展，以此来提分子链充分伸展，以此来提高纤维的强度由于本法受高纤维的强度由于本法受相对分子质量的限制，仅靠相对分子质量的限制，仅靠拉伸方法使纤维强度提高是拉伸方法使纤维强度提高是有局限性的，最高强度达有局限性的，最高强度达17.6cN/dtex。

高技术纤维概论表面结晶生长法表面结晶生长法 本法是将本法是将UHMWPE的稀溶液置于的稀溶液置于Couette装置内，在可旋转的内圆柱表面上引入晶种，装置内，在可旋转的内圆柱表面上引入晶种，由于由于晶种晶种的诱导作用使的诱导作用使PE结晶生长，待结晶生结晶生长，待结晶生长至一定长度后，将此纤维从导管中引出由长至一定长度后，将此纤维从导管中引出由于纤维的引出与内四拄的旋转方向相反，故纤于纤维的引出与内四拄的旋转方向相反，故纤维状结晶生长受到沿纤维轴向的力，所得纤维维状结晶生长受到沿纤维轴向的力，所得纤维呈呈羊肉串结晶结构羊肉串结晶结构在羊肉串纤维的主干上实在羊肉串纤维的主干上实为伸直链的大分子为伸直链的大分子(脊纤维脊纤维)，主干的四周还附，主干的四周还附着片晶着片晶(折叠链折叠链)，因此该纤维具有，因此该纤维具有高强、高模高强、高模的特征若有适当方法把附着的片晶洗掉，则的特征若有适当方法把附着的片晶洗掉，则纤维强度会有明显的上升，倘若进一步实施纤维强度会有明显的上。