專利名稱：高強高模聚乙烯纖維單取向預浸帶的連續(xù)制備方法
技術領域：
本說明是關于高強高模聚乙烯纖維單取向預浸帶的連續(xù)制備，屬高分子類。
背景技術：
由高強高模聚乙烯(HSHM-PE)纖維單取向預浸帶經交錯復合而成的復合材料(以下簡稱UD材料)是一種新穎復合材料，它是由HSHM-PE(或芳綸纖維、PBO纖維)通過均勻、平行、挺直排成連續(xù)帶之后對此進行浸膠、干燥，獲得單取向纖維的連續(xù)預浸帶，再由上述預浸帶多層交錯疊加、復合，由此制成相應纖維的UD材料。
UD材料創(chuàng)始于廿世紀八十年代美國Allied Signal’s公司高性能纖維技術中心，它是針對織物用于防彈產品存在的缺陷-即纖維在織物中呈現彎曲狀態(tài)和經緯紗線交會處出現空隙。前者不利于應力波傳遞和沖擊能的迅速耗散；后者造成沖擊的薄弱點。單取向預浸帶中纖維呈挺直均勻分布，既有利沖擊應力波的高速傳遞(如HSHM-PE纖維的應力傳遞速度為12,300m/sec)和沖擊波沿三維方向迅速耗散。由此彌補了傳統(tǒng)防彈產品的結構缺陷，開創(chuàng)了新穎軟質防彈復合材料，成為當今世界軟質防彈衣的首選材料之一。
UD材料制備的工藝關鍵是(1)單纖維的挺直、平行排列和均勻鋪展；(2)膠粘劑的制備和膠粘工藝；(3)多層單取向預浸帶的交錯疊加復合。
眾所周知，商業(yè)上纖維產品均為束絲，它是由單纖維堆積成束，為使束絲中單纖維堆積向單纖維的挺直、均勻鋪展、平行排列，US 4,916,000提出了通過兩根鋪展棒，纖維通過棒的弧度40°至250°面接觸，纖維施加張力為0.3-0.6g/d，兩個張力之差控制在0.1-0.5g/d，采用該法對Spectra900、118f束纖維鋪展取得了較好較果，鋪展后薄層厚度僅為單纖維直徑的2倍左右，由此制得的UD防彈性能獲得提高。然而，隨著纖維束的增加，這種鋪展效果受到了影響，它既受到磨擦產生靜電的不足，又受張力過大的影響，如何在降低纖維張力的情況下，使產生足夠的高壓靜電是解決的重要途徑。
US 4,916,000和US 5,149,391描述了連續(xù)制備預浸帶的工藝流程。為使排列均勻的HSHM-PE纖維涂膠固化成預浸帶，在纖維涂膠之前，在排列纖維其底部輔以襯膜和襯膜下接觸輸送帶，以此帶動纖維運行，以解決聚氨乳劑固化需要較長時間和較高的固化溫度。有了襯膜的依托易使排列均勻纖維容易保持這種狀態(tài)，輸送帶的牽引又避免了纖維在縱向張力波動引起均勻排列的破壞。這樣的裝置是較為復雜與昂貴的，但經涂膠后的HSHM-PE纖維極易與襯膜相粘，造成分離的困難，這也就是UD材料的初期產品是以二層復合
(兩面有PE保護膜)的規(guī)格出現，按此工藝如要實行四層復合
2(兩面有PE保護膜)規(guī)格產品生產甚為困難。為解決上述問題，制備良好結構
2采用快速固化的膠粘劑來革除襯膜的使用是突破障礙的關鍵所在。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強高模聚乙烯纖維單取向預浸帶的連續(xù)制備方法，該方法由于不需襯膜而使設備得到簡化。
為實現上述目的，本發(fā)明的制備方法為1)高強高模聚乙烯纖維以≤0.1g/d的牽引張力通過磨擦體，以使纖維帶上高壓靜電而均勻鋪展，比例理想的牽引張力是≤0.08g/d。本發(fā)明采用的磨擦體是以氧化鉻、氧化鎂或氧化鋁等材質或其材質涂層的多邊棱形體或圓形體。該磨擦體數量可以是一個，也可以是二個或二個以上。
2)消除纖維上的高壓靜電；3)上膠，于40-70℃干燥；本發(fā)明采用的膠粘劑是聚苯乙烯三嵌段共聚體或氫化聚苯乙烯三嵌段共聚體的混合溶劑型膠粘劑；較理想的膠粘劑為KRATON D-1107、KRATON D-1161、KRATON G-1650或KRATONG-1651。
該膠粘劑的溶劑是溶解度參數(δ)為8.0-8.5之間易揮發(fā)的溶劑，如苯、甲苯；氯仿、四氯化碳；己烷、環(huán)己烷、氯化環(huán)己烷；二乙醚、甲基異丁基醚；醋酸乙酯、醋酸戊酯等；不同的溶劑對嵌段共聚物的軟硬段溶解略有差異，溶解聚合體的溶劑以混合溶劑為佳。
膠粘劑與溶劑的重量比例為10-40％∶90-60％，混合溶劑的重量比為烷烴∶醚類∶酯類＝3-10∶0.1-0.5∶1。
在膠粘劑中加入增粘劑能提高預浸帶的復合性能，所述的增粘劑可以是萜烯樹脂、合成C5、C9樹酯等。
4)于40-70℃下再次干燥定型后收卷，制得單取向的高強高模聚乙烯纖維單取向預浸帶。
5)為了進一步防止纖維之間相互粘連，收卷時用隔離膜進行隔離。
本發(fā)明所依據的技術原理是根據聚乙烯電性能可知，它是一種絕緣體，如用適當的材料磨擦極易帶上負電，只要這種磨擦材料有高度的絕緣性，經磨擦的HSHM-PE纖維靜電累積可逐漸高達萬伏以上，纖維攜帶上高壓靜電就可使纖維均勻鋪展。
HSHM-PE纖維與絕緣體磨擦產生靜電大小與正壓力成正比，當采用多邊棱形體時，在棱尖與HSHM-PE纖維之間磨擦面小，正壓力大，在張力不大的情況下產生高壓靜電，以解決張力過大，使相互鋪展后的單纖維再次并攏。為使產生靜電更為有效，可以是動磨擦，更為可取的是靜磨擦。
為避免張力過大引起大絲束鋪展的寬度，應控制纖維牽引的張力和張力的波動。纖維牽引張力宜在≤0.1g/d之間，更為可取的牽引張力范圍是≤0.08g/d。
由于膠粘劑采用是低沸點易揮發(fā)的有機溶劑混合物，高壓靜電會引起不安全，故在涂膠前采用靜電消除器進行靜電消除。
根據UD材料的防彈要求，膠粘劑宜采用彈性體膠粘劑為佳。作為膠粘劑的主要形式有熔融型、乳劑型和溶劑型三種。熔融型對HSHM-PE纖維UD材料不適合，它不僅在于HSHM-PE纖維耐不住高溫，而且此膠粘劑對纖維的浸潤性差，由此影響纖維在復合材料中拔出功提高；乳劑型固化時間長，乳劑型與HSHM-PE纖維的表面張力相差懸殊，造成浸潤、粘接性差，必須添加氟表面活性劑才能克服，固化時間長這也就是采用聚氨酯乳劑在UD材料生產上的不足之處；溶劑型的膠粘劑在膠粘劑與PE纖維有著良好的粘合性能條件下，由于溶劑能快速去除，縮短了固化時間，去除襯膜是可實現的，從而改變工藝過程和裝備成為可能。
聚苯乙烯嵌段共聚物的誕生為本發(fā)明提供了主體材料的選擇，該嵌段共聚物的強度形成是硬段、軟段交聯點的結果，這種交聯點的折散和形成可通過溫度變化，也可通過溶解狀態(tài)的改變來達到。如將此彈性體溶解在溶劑中成為液態(tài)，可使膠粘劑充分浸潤入纖維表面，一旦當溶劑揮發(fā)后軟硬段的交聯點恢復即可完成膠粘，因此只要選擇好相應的溶劑和溶劑的揮發(fā)性兼顧，即可在幾十秒內將排列均勻的纖維粘連成片，由此為革除冗重的干燥工藝和裝備奠定基礎，也為革除輸送帶及襯膜提供了可能。后者優(yōu)點革除了HSHM-PE纖維與襯膜間剝離工藝過程和為制備
2開辟了途徑，正是這一重要措施使整機驅動依靠主牽引裝置，并通過纖維實現整機傳動和牽引力的傳遞，次牽引裝置速度調整至與纖維同速同步運轉，以此可完成連續(xù)預浸帶的制備。
由于UD材料的防彈要求，HSHM-PE纖維承擔著抵御沖擊能的主要角色，膠粘劑在UD材料中起著纖維整合作用，即傳遞和消耗子彈的功能，為此膠粘劑主體材料需有以下性能①有著良好的力學性和耐沖擊性；②與HSHM-PE纖維有良好的親和性，使纖維在材料中有高的拔出功；③纖維單取向預浸帶間復合的粘著力，以此提高UD材料的層間剝離強度。根據上述主要性能要求，聚苯乙烯三嵌段共聚體或其氫化衍生物可體現出杰出性能，如無需硫化條件下具有高抗拉強度，優(yōu)良的彈性和韌性，與聚烯烴有好的親和性附著粘著力，由此成為UD材料粘合劑的可選擇材料之一。聚苯乙烯三嵌段共聚體是SIS聚(苯乙烯一異戊二烯-苯乙烯)，如KRATON D-1107、KRATON D-1161；氫化聚苯乙烯三嵌段共聚體是SEBS聚(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)，如KRATON G-1650、KRATON G-1651。
聚苯乙烯嵌段共聚體可以溶解在相應溶劑之中，一旦溶劑蒸發(fā)，它又恢復原有彈性體的本色，這是膠粘的基本原理。
選擇揮發(fā)適當的溶劑體系是使膠粘劑快速固化的重要因素。又借助于不同溶劑對嵌段共聚體中的軟硬段的溶解度差異，在溶解時采用最大溶解度的混合溶劑進行溶解，可以是二種或二種以上的混合溶劑；在涂膠后的溶劑揮發(fā)過程，由于揮發(fā)性不一，即刻可打破混合溶劑的比例平衡，使彈性體的交聯點能迅速形成，從而使纖維單取向排列均勻的狀態(tài)予以保持。由于快速膠粘可克服因膠粘劑需較長的固化時間而要求在纖維有襯膜的依托下完成，由此為無襯膜條件下制備纖維單取向預浸帶奠定了基礎。
由于這種依賴于混合溶劑平衡的破壞，快速引起彈性體交聯點的恢復，即單取向纖維排列的初始膠粘完成，故固化條件甚為溫和，在熱空氣40-70℃快速完成。在完成初始粘接后，襯托物或輸送帶裝置無疑沒有存在的必要。


圖1為高強高模聚乙烯纖維單取向預浸帶的連續(xù)制備工藝示意圖；圖中1-高強高模聚乙烯纖維；2-鋼筘；3-張力架；4-磨擦輥；5-靜電消除器；6-膠粘劑制備釜；7-閥門；8-計量泵；9-上膠點；10-鋪展輥；11-剝膠刀；12-熱甬道；13、14-次牽引導輥；15-主牽引輥；16-成品卷繞；17-隔離膜。
具體實施例方式
本發(fā)明以下述的實施例予以具體描述，但本發(fā)明不受該實施例條件的局限。因為依照發(fā)明內容部分所公開的條件，本領域的技術人員基本上可以實現本發(fā)明，本發(fā)明給出的條件有一范圍，只要在該范圍內均能取得等同的的效果，這一點也是本領域技術人員容易理解和掌握的。為簡明起見，本發(fā)明只給出一個較典型的實施例。
實施例以ZTX99的400f高強高模聚乙烯纖維(1)(強度≥35g/d，纖度2.0-2.5d)，通過3筘/厘米的鋼筘(2)和張力架(3)，之后與多邊棱形摩擦輥(4)摩擦，該磨擦輥(4)可以用氧化鉻、氧化鎂或氧化鋁材料制，也可以在其他材料制成的輥的表層涂覆一層氧化鉻、氧化鎂或氧化鋁材料，本實施例采用的磨擦輥(4)表層涂覆有氧化鎂，以產生高壓靜電，使纖維均勻鋪展。攜帶高壓靜電的纖維在上膠前采用靜電消除器(5)進行靜電消除后，轉移至上膠輥(10)，在上膠點(9)上膠，本實施例采用的膠粘劑是將KRATON G-1650按重量比15％溶解于混合溶劑(己烷∶二乙醚∶醋酸乙酯＝5∶0.5∶1，再添加萜烯樹脂和抗氧劑)，上膠后用剝膠刀(11)使涂膠均勻，涂膠后的排列均勻纖維，通過熱甬道(12)，55℃進行干燥，使排列均勻的纖維予以基體固定，之后再經55℃進一步干燥定型后進入主牽引裝置(15)，由此形成單取向的HSHM-PE纖維預浸帶(38g/m2)。為防止相互的粘連，在進入收卷輥(16)前，以隔離膜(17)使之相互隔離。
將上述得所得的HSHM-PE纖維預浸帶進行正交復合。它們可是二層交錯，也可以是四層交錯，所得到的產品結構相應是
或
2，為保護產品與外界摩擦而損傷，作為防彈用的UD材料兩側復合保護膜，制得面密度(AD)約為160g/m2的UD材料。
防彈效果將40層、450mm×450mm AD＝160g/m2UD材料整齊疊加置于背襯為膠泥的靶架上，采用51式普通彈、按美軍662E V50試驗標準，用51式長槍管、51式普通彈(鉛芯彈)測得V50≥490m/s。
將45層450mm×450mm AD＝160g/m2UD材料整齊疊加置于背襯為膠泥的靶架上，以上述同樣條件和方式，測得V50＝578.5m/s。
權利要求
1.一種高強高模聚乙烯纖維單取向預浸帶的連續(xù)制備方法，其步驟為a)高強高模聚乙烯纖維以≤0.1g/d的牽引張力通過磨擦體，使纖維帶上高壓靜電而均勻鋪展；所述磨擦體是氧化鉻、氧化鎂或氧化鋁材質或其材質涂層的多邊棱形體或圓形體；b)消除纖維上的高壓靜電；c)涂覆膠粘劑，于40-70℃干燥；所述膠粘劑是聚苯乙烯三嵌段共聚體或氫化聚苯乙烯三嵌段共聚體的混合溶劑型膠粘劑；該膠粘劑的溶劑是溶解度參數(δ)為8.0-8.5之間易揮發(fā)的溶劑；該膠粘劑與溶劑的重量比為10-40％∶90-60％；d)于40-70℃下再次干燥定型后收卷，即制得高強高模聚乙烯纖維單取向預浸帶。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述牽引張力為≤0.08g/d。
3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述膠粘劑為KRATOND-1107、KRATON D-1161、KRATON G-1650或KRATON G-1651。
4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述膠粘劑的溶劑為苯、甲苯、氯仿、四氯化碳、己烷、環(huán)己烷、氯化環(huán)己烷、二乙醚、甲基異丁基醚、醋酸乙酯和醋酸戊酯中的兩種或兩種以上的混合溶劑；混合溶劑的重量比為烷烴∶醚類∶酯類＝3-10∶0.1-0.5∶1。
5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟a中的磨擦體可以是一個或二個以及二個以上。
6.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟d中收卷時預浸帶之間用隔離膜進行隔離。
全文摘要
一種高強高模聚乙烯纖維單取向預浸帶的連續(xù)制備方法，是將高強高模聚乙烯纖維通過均勻鋪展、平行排列，以膠粘劑粘合而成的預浸帶，再將多層預浸帶交錯復合制得單取向的復合材料(UD材料)，成為軟質防彈衣的核心材料。此法特征在于纖維涂膠成帶不需襯膜，由此使裝備大大簡化，其關鍵是采用了快速固化的膠粘劑及相應工藝來完成的；纖維單取向均勻排列方法的低張力也是工藝特色之一。
文檔編號D04H1/70GK1537988SQ0315888
公開日2004年10月20日 申請日期2003年9月16日 優(yōu)先權日2003年9月16日
發(fā)明者林明清, 楊年慈, 吳志泉, 趙羅杰, 吳傳清, 高波 申請人:湖南中泰特種裝備有限責任公司