专利名称：一种超高分子量聚乙烯纤维预浸带的制备方法
技术领域：
本发明涉及预浸带的制备方法，具体涉及超高分子量聚乙烯纤维预浸带 的制备方法。
背景技术：
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，是指相对分子质量在(1 ~6) x io6的 聚乙烯，经纺丝一超拉伸之后制成的超高分子质量聚乙烯纤维。它是继碳纤 维、芳纶(Kevlar)纤维之后的第三代高性能纤维。超高分子量聚乙烯纤维 增强复合材料与其它纤维增强复合材料相比，具有质量轻、耐冲击、介电性 能高等优点，在航空航天、海域防御、武器装备等领域发挥着举足轻重的作 用。同时，该纤维在汽车、船舶、医疗器械、体育运动器材等领域亦有广阔 的应用前景。因此，超高分子量聚乙烯纤维自问世起就倍受重视，发展很快。
由高强高模聚乙烯纤维无纬布经交错复合而成的复合材料(又称UD复 合材料)在防弹领域有着重要的应用。目前制备高强高模聚乙烯纤维增强复 合材料一般采用如下工艺步骤单取向预浸带的制备一单取向预浸带的层压 成型一纤维增强复合材料的定型。单取向预浸带又成无绵布(UD布)或经 向布，是指由聚乙烯纤维经过均匀、平行、挺直排成连续带之后对此进行浸 胶、干燥、获得单取向纤维的连续预浸带。同经炜纺织布相比，单取向预浸 带避免了经绵纱线的交织，纤维不会发生多次的折压弯曲，因此不会降低纤 维的原始力学性能；另外，经绵交织处容易出现空隙，影响复合材料性能， 而单取向预浸带是纤维平行排列，因此复合材料会在最大程度上继承纤维的 力学性能。
中国专利CN1291090C公开了 一种高强高模聚乙烯纤维单取向预浸带的 制备方法，在该专利中，先将纤维通过上静电的方式使纤维均匀铺展后，在 铺展的纤维上涂覆胶粘剂，然后将胶粘剂干燥制得单取向预浸带，该专利通 过选择合适的胶粘剂因此可以制备性能良好的单取向预浸带。美国专利 US4916000也公开了一种高强、高模聚乙烯纤维单取向预浸带的制备方法，在该专利中，先将纤维通过两根铺展棒将纤维铺展后，在铺展的纤维上涂覆 合适的胶粘剂，然后干燥得到预浸带。在这两个技术方案中，纤维经过铺展 后都直接进行上胶处理，由于胶粘剂在低温下的流动性差，因此可能会导致 上胶不均匀，而且由于纤维内部存在应力，上月交后进行干燥时，纤维在加热 的情况下由于内应力的释放可能会导致变形，因此也会影响胶粘剂的均匀分 配，从而最终降低预浸带的防弹性能。
因此，需要一种可以有效释放纤维应力，均匀上胶的制备超高分子量聚 乙烯单取向预浸带的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种有效释放纤维应力，均匀上胶的制 备超高分子量聚乙烯纤维单取向预浸带的方法。
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纤维单取向
预浸带的制备方法，包括步骤
a) 将超高分子量聚乙烯纤维均匀铺展；
b) 在4(TC 6(TC的条件下预热所述铺展后的纤维；
c )在预热后的纤维上涂覆胶粘剂，所述胶粘剂包括聚苯乙烯三嵌段共聚 体或氢化聚苯乙烯三嵌段共聚体的混合溶剂型胶粘剂； d)在50°C 70。C的条件下干燥上"交后的纤维。
按照本发明，所述超高分子量聚乙烯纤维是指重均分子量(Mw)为(1 ~ 7>106的聚乙烯经过纺丝制成的纤维，优选的，聚乙烯的重均分子量为(1.5~ 4.5) xl06。聚乙烯优选为线性聚乙烯，所述线性聚乙烯是指每IOO个碳原子 中具有少于1个的侧链，优选每300个石灰原子中具有少于1个侧链。
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WOO 1/73173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。
为了制备高性能的预浸带，所述超高分子量聚乙烯纤维的强度至少为15cN/dtex、模量至少为390cN/dtex;优选的，超高分子量聚乙烯纤维强度至 少为20cN/dtex、模量至少为800cN/dtex;更优选的，超高分子量聚乙烯纤维 强度至少为28cN/dtex、才莫量至少为1200cN/dtex。
制备单取向预浸带时，为了使胶粘剂均匀分布在纤维之间，需要将纤维 均匀铺展，挺直排列，然后进行胶粘剂的涂覆工序。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度~ 200度，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。
由于胶粘剂的作用是将纤维粘合到一起并可以全部或者部分包裹纤维， 并且在防弹材料中起吸收和传递子弹能量的作用，因此应选择具有优异力学 性能并与纤维具有良好结合性能的材料作为胶粘剂。可以选用聚合基质材料 作为胶粘剂，优选的，选择热塑性材料作为胶粘剂，可以选用的热塑性材料 为聚氨酯、聚乙烯基聚合物、聚丙烯酸类、聚烯烃或热塑性弹性嵌段共聚物。 优选的，胶粘剂选自聚苯乙烯三嵌段共聚体(SIS,苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯)， 如科腾(KARTON)公司生产的KARTON D-l 107、 KARTON D-l 161,或氢 化聚苯乙烯三嵌段共聚体(SEBS,苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)，如科腾公司 生产的KARTON G-1650 、 KARTON D-1651 。
胶粘剂的形式可以为溶剂型，所用的溶剂可以选自苯、曱苯、氯仿、四 氯化碳、己烷、环己烷、氯化环己烷、二乙醚、曱基异丁基醚、醋酸乙酯、 醋酸戊酯等。在胶粘剂溶液中，胶粘剂与溶剂的重量比为10~40: 90~60, 优选的，胶粘剂与溶剂的重量比为15 - 35: 85 ~65;更优选的，胶粘剂与溶 剂的重量比为20-30: 80-70。由于无绵布中起主要防弹作用的是高性能聚乙烯纤维，因此应该控制无
绰布中适当的胶粘剂量。在无纬布中，胶粘剂的含量可以为10~30wt%,优 选的，胶粘剂的含量为14~30wt%,更优选的，胶粘剂的含量为16~28wt%, 更优选的，胶粘剂的含量为18~24wt%。
在对纤维进行上胶之前，为了使胶粘剂更加均匀的分配在纤维之间，增 加胶粘剂的流动性，使胶粘剂与纤维更好的结合在一起，可以对纤维进行预 热处理。按照本发明，纤维经过均匀铺展后，将纤维在4(TC 60。C的范围内 预热后可以明显改善预浸带的防弹性能，因为纤维经过预热后，不但可以去 除纤维内的应力，而且可以使胶粘剂和纤维达到更好的复合效果，因此可以 提高预浸带的防弹性能，优选的，将铺展后的纤维在45'C 55。C进行预热。 预热纤维时，可以采用热甬道预热，优选的，使纤维经过表面温度为40°C ~ 60°C、优选表面温度为45°C 55。C的热辊进行预热。对于热辊加热方式，本 发明并无特别的限制，可以在热辊内采用电加热、或者热空气加热等本领域 人员熟知的方式。
将纤维预热后，进行上胶工序。在向超高分子量聚乙烯纤维涂覆胶粘剂 时，可以釆用喷洒的方法，在纤维上喷洒胶粘剂。优选的，使铺展开的超高 分子量聚乙烯纤维通过上胶辊涂覆胶粘剂，所述上胶辊可旋转地安装在上胶 槽中，在上胶槽内盛有胶粘剂，胶粘剂浸没一部分上胶辊，当上胶辊旋转时， 可以将胶粘剂带起涂在纤维上。纤维在经过上胶辊时，需要对纤维施加一定 的张力，在张力的作用下，纤维绷带绷紧经过上胶辊后，容易造成单面上胶， 即在与上胶辊相接触的内表面没有胶粘剂，因此，上胶辊表面可以有若干凹 槽。由于凹槽可以储存胶粘剂，因此可以使纤维带的内表面和外表面同时上 胶，优选的，所述凹槽相互平行并与纤维的送给方向垂直。所述纤维带是指 多束纤维经过铺展后形成的平面带，纤维带的内表面指纤维带上与上胶辊接 触的面，纤维带的外表面指与内表面相对的一面。上胶辊表面的凹槽的形状 可以为三角形、弧形或其它已知形状，上胶辊的外表面有沟槽的面积占上胶 辊外表面面积的1 % ~ 60%。
纤维经过上胶后，需要进行干燥处理，以使胶粘剂中的溶剂挥发掉并固 化胶粘剂，干燥温度可以为40°C ~70°C,优选的，干燥温度为45°C ~56°C。上胶纤维经过干燥后即得到超高分子量聚乙烯纤维单取向预浸带。
本发明提供一种超高分子量聚乙烯纤维单取向预浸带的制备方法。本发
明先将超高分子量均匀铺展后，对其在40。C 60。C的条件下进行预热，纤维 经过预热后，不^f旦可以消除应力，而且可以增加^!交粘剂的流动性，并且佳_月交 粘剂和预热纤维达到更好的复合效果，因此可以减少预浸带的缺陷，明显提 高单取向预浸带的防弹性能。
图1是本发明实施例制备超高分子量聚乙烯纤维单取向预浸带示意图； 图2是图1中静电消除装置示意图； 图3是图1中上胶装置示意图4是本发明比较例制备超高分子量聚乙烯纤维单取向预浸带示意图。
具体实施例方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案作进行 描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步理解本发明的特征和优点，而 不是对本发明权利要求的限制。
参见图1至图2 ，图1为本发明实施例所用的制备超高分子量聚乙烯单 取预浸带的设备示意图，依次包括支撑聚乙烯纤维纱锭的纱架101，纱架101 通过支撑若干个纱锭可以实现连续供丝，纱架上的纱锭经过集束架102,使 各束纤维取向大致相同。集束架102后面为静电生成装置103,所述静电生 成装置103包括2根多边棱形的摩擦辊，摩擦辊表面材质为氧化铬。摩擦辊 为多边的棱形体，在棱尖处，聚乙烯纤维与摩擦体接触面小，正压力大，在 张力不大的情况下易于产生高压静电。静电生成装置103之后为静电消除装 置104。在本实施例中，静电消除装置包括由碳纤维制成的摩擦刷104a (见 图2),由于碳纤维是优良的导电体，并且具有很高的模量，因此不容易变形， 可以和聚乙烯纤维保持充分的接触，带走静电，并且使用碳纤维作为摩擦刷， 不易对纤维造成损伤。
静电消除装置104之后为中空的加热辊107，加热辊107内可以通入热 空气对纤维进行预热。加热辊之后为上胶装置105,所述上胶装置包括上胶 槽105a、安装在上胶槽105内的直径为320mm上胶辊105b,上力交辊外表面具有260条平行于上胶辊母线的储胶槽105c (见图3 ),储胶槽横截面为半径 是lmm的半圆形状。为了保证胶粘剂的均匀分配，本实施例的上胶装置105 上进一步提供刮胶刀105d。所述刮胶刀105d为厚度是0.5mm的不锈钢片， 刮胶角度在15°~50°的范围内调节。本文所述刮胶角度按如下方式定义，如 图3所示，当刮胶刀工作时，走胶方向与预浸带送给方向(箭头所示方向) 相反，走胶方向到刮胶刀的角度105e即为刮胶角度。当刮胶角度105e小于 15。时，刮胶效果不理想；当刮胶角度大于50。时，由于刮胶刀对纤维存在一 定的压力，因此刮胶角度太大容易损伤纤维，更优选的，刮胶角度为25°~ 40。。
将纤维上胶后，需要去除胶粘剂中的溶剂并使胶粘剂快速固化，使纤维 带定型，因此，在上胶装置105之后，本实施例提供用于干燥上胶纤维的热 闺道106，在合适的温度下，对上胶纤维进行干燥，使之定型，最后通过收 布装置108将预浸带巻起。
实施例1
将400旦DSM公司生产的Dyneema SK75的纤维放置在纱架101上，丝 头通过集束架102后，纤维大致排列成预浸带的形状。经过集束架后，纤维 再经过静电生成装置103,与摩擦辊进行摩擦产生高压静电，纤维带上静电 后均匀铺展。铺展后的纤维再与静电消除装置104上的摩擦刷104a接触，将 静电释放，以防止引起危险。消除静电的纤维经过表面温度为50。C的加热辊 107进行预热后在上胶装置105内通过上胶辊105b上胶，将科腾公司生产的 KRATONG-1650按照重量比17%溶于120号溶剂油(2,3-丁二酮)中作为胶 粘结溶液放入上胶槽105a内浸到上胶棍105b约三分之一的位置，当上胶辊 转动时可以将胶粘剂带到纤维上。调整刮胶刀105d使刮胶角度105e为30°。 由于上胶辊外表面具有相互平行的储胶槽，在张力作用下，可以使预浸带双 面进行上胶，连续制备预浸带时，平行分布的储胶槽也可以使上胶工艺稳定。 在刮胶刀的作用下，可以去除多余的胶粘剂并使胶粘剂均匀分布在纤维之间。 上胶后的纤维经过热甬道106在55。C的温度下干燥定型。上胶纤维经过干燥 定型后，得到面密度为37g/n^的预浸带，预浸带中纤维的面密度为31g/m2。
取68层上述的单层无绵布相互叠力口，相邻无绵布中的纤维成0。/90。排列，对无绊布叠层施加0.4MPa的压力4吏叠层之间的空气逸出，然后放在温度为 125。C的热压;f莫具内定型，定型压力为16MPa,恒温保压15分钟，得到防弹 板。采用美国NIJ0101.04防弹衣测试标准对该防弹板进行防弹性能测试，当 该防弹成型件受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时，Vso为435m/s，受到357Mag JSP型枪弹(10.2g)沖击时，Vso为443m/s。 比举交例1
参见图4 ,为本实施例使用的制备预浸带的示意图，与实施例l的区别 在于，没有加热辊。将400旦DSM公司生产的DyneemaSK75的纤维放置在 纱架101上，丝头通过集束架102后，纤维大致排列成预浸带的形状。经过 集束架后，纤维再经过静电生成装置103，与摩擦辊进行摩擦产生高压静电， 纤维带上静电后均匀铺展。铺展后的纤维再与静电消除装置上的摩擦刷104a 接触，将静电释放，以防止引起危险。消除静电后的纤维直接送进上胶装置 105内通过上胶辊上月交，本实施例将KRATON G-1650按照重量比17%溶于 120号溶剂油(2,3-丁二酮)中作为胶粘结溶液放入上胶槽105a内浸到上胶 棍105b约三分之一的位置，当上胶辊105b转动时可以将胶粘剂带到纤维上。 调整刮胶刀105d使刮胶角度105e为30°。上胶后的纤维经过热甬道106在 58。C的温度下干燥定型，然后自然冷却，最后采用巻绕装置108收巻得到面 密度为38g/r^的预浸带，预浸带中纤维的面密度为30g/m2。
取68层上述的单层无绵布相互叠力口，相邻无绵布中的纤维成0790。排列， 对无绵布叠层施加0.5MPa的压力使叠层之间的空气逸出，然后放在温度为 125。C的热压才莫具内定型，定型压力为17MPa，恒温保压15分钟，得到防弹 板。采用美国NIJ0101.04防弹衣测试标准对该防弹板进行防弹性能测试，当 该防弹成型件受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时，Vso为419m/s,受到357Mag JSP型冲仓弹(10.2g)冲击时，V5o为425m/s。
从以上叙述可知，将干燥后的上胶纤维进行加压处理后，可以使胶粘剂 更加均匀的分配在纤维之间，增加纤维与胶粘剂的结合效果，可以明显提高 预浸带的防弹性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种超高分子量聚乙烯纤维单取向预浸带的制备方法，包括步骤a)将超高分子量聚乙烯纤维均匀铺展；b)在40℃～60℃的条件下预热所述铺展后的纤维；c)在预热后的纤维上涂覆胶粘剂，所述胶粘剂包括聚苯乙烯三嵌段共聚体或氢化聚苯乙烯三嵌段共聚体的混合溶剂型胶粘剂；d)在50℃～70℃的条件下干燥上胶后的纤维得到预浸带。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b)中预热纤维的温度 为45°C ~55°C。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤b)中将纤维通过 热辊进行预热。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a)包括al)将超高分子量聚乙烯纤维以《0.1g/d的牵引张力通过摩擦体，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 质涂层的多边棱形体或圆形体；a2)消除纤维上的高压静电。
5、 才艮据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤a2)具体为将带有静电 的纤维与碳纤维摩擦刷接触，消除纤维上的静电。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于涂覆胶粘剂具体为将铺展开 的纤维经过旋转的上胶辊对纤维涂覆胶粘剂，所述上胶辊浸在装有胶粘剂的上 胶槽中，所述上胶辊表面具有若干条凹槽。
7、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述凹槽相互平行并与超高 分子量聚乙烯纤维的送给方向垂直。
8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于涂覆胶粘剂还包括采用刮胶 刀将胶粘剂均匀分配在纤维之间，所述刮胶刀的刮胶角度为15度 50度。
9、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述胶粘剂的浓度为10wt%~ 40 wt %。
10、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤d)的干燥温度为52 。C ~65°C。
全文摘要
本发明公开一种超高分子量聚乙烯纤维单取向预浸带的制备方法，包括步骤a)将超高分子量聚乙烯纤维均匀铺展；b)在40℃～60℃的条件下预热所述铺展后的纤维；c)在预热后的纤维上涂覆胶粘剂，所述胶粘剂包括聚苯乙烯三嵌段共聚体或氢化聚苯乙烯三嵌段共聚体的混合溶剂型胶粘剂；d)在50℃～70℃的条件下干燥上胶后的纤维得到预浸带。纤维经过预热后，不但可以消除应力，而且可以增加胶粘剂的流动性，并且使胶粘剂和预热纤维达到更好的复合效果，因此可以减少预浸带的缺陷，提高单取向预浸带的防弹性能。
文档编号D04H1/58GK101629360SQ200810133560
公开日2010年1月20日 申请日期2008年7月17日 优先权日2008年7月17日
发明者周成程 申请人:宁波荣溢化纤科技有限公司