新型uhmwpe纤维和制造方法
【专利说明】新型UHMWPE纤维和制造方法
[0001]对相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月27日提交的共同待审的美国临时申请序号N0.61/676,409的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。
[0002]发明背景。
发明领域
[0003]本发明涉及制备超高分子量聚乙烯(“UHMW PE”)纱的方法、由其制成的纱和制品。
[0004]相关技术描述
由包含高强度合成纤维的复合材料制成的防弹制品是公知的。许多类型的高强度纤维是已知的，且每种类型的纤维具有其自身的独特特征和性质。就此而言，纤维的一个定义性特征是纤维与表面涂料，如树脂涂料粘合或粘着的能力。例如，超高分子量聚乙烯纤维是天然惰性的，而芳族聚酰胺纤维具有含有极性官能团的高能表面。相应地，树脂通常对芳族聚酰胺纤维表现出比对惰性UHMW PE纤维更强的亲合力。但是，合成纤维也通常已知天然倾向于静电积聚并因此通常要求施加纤维表面整理剂(finish)以利于进一步加工成可用的复合材料。纤维整理剂用于降低静电积聚，在无捻或非缠结纤维的情况中，有助于保持纤维内聚力和防止纤维缠结。整理剂还润滑纤维表面，保护纤维免受设备破坏和保护设备免受纤维破坏。
[0005]本领域教导了用于多种工业的许多类型的纤维表面整理剂。参见例如美国专利 5，275，625,5, 443，896,5, 478，648,5, 520，705,5, 674，615,6, 365，065,6, 426，142、6，712，988,6, 770，231,6, 908，579和7，021，349，它们教导了用于纺成纤维的纺丝整理剂组合物。但是，典型的纤维表面整理剂不是普遍合意的。一个重要原因是因为纤维表面整理剂会干扰聚合粘合剂材料在纤维表面，包括芳族聚酰胺纤维表面上的界面粘结或粘合。聚合粘合剂材料的强粘合在防弹织物，尤其是非织造复合材料，如Honeywell Internat1nalInc.0f Morristown, NJ生产的非织造SPECTRA SHIELD?复合材料的制造中是重要的。聚合粘合剂材料在纤维表面上的粘合不足可能降低纤维-纤维粘合强度和纤维-粘合剂粘合强度并由此使结合的纤维互相分离和/或使粘合剂从纤维表面上层离。在尝试将保护性聚合组合物施加到机织物上时也认识到类似的粘合问题。这有害地影响此类复合材料的防弹性质(防弹性能)并可以造成灾难性的产品失效。
[0006]从共同待审的申请序号61/531，233; 61/531, 255; 61/531, 268; 61/531, 302;61/531，323; 61/566，295和61/566，320 (其每一个经此引用并入本文)已知，当施加材料直接与纤维表面粘合而非施加在纤维整理剂之上时，其在纤维上的粘合强度提高。此直接施加能够通过在纤维上施加此材料，例如聚合粘合剂材料前和在将纤维结合为纤维层或织物前至少从纤维部分脱除预存在的纤维表面整理剂实现。
[0007]从上述共同待审的申请还已知，可以用各种表面处理，例如等离子体处理或电晕处理来处理纤维表面，以提高纤维表面处的表面能并由此提高材料粘合到纤维表面的能力。所述表面处理当直接实施在暴露的纤维表面上而非纤维整理剂之上时是特别有效的。结合的整理剂脱除和表面处理减低了当用于防弹复合材料中时纤维彼此层离和/或从纤维表面涂层层离的趋势。但是，已知这些表面处理的效果是具有贮藏寿命。随着时间推移，附加的表面能衰减且处理的表面最终返回到其最初的达因水平。当处理的纤维不是立即制成复合材料而是贮藏用于将来的用途时，这种处理的衰减是特别明显的。因此，在本领域中存在保存表面处理并由此提高经处理纤维的贮藏寿命的方法的需要。
[0008]发明概述
本发明提供了一种方法，该方法包括:
a)提供一根或多根部分定向的纤维，所述部分定向纤维的每一根具有基本被纤维表面整理剂覆盖的表面；
b)从所述纤维表面脱除至少一部分的纤维表面整理剂以至少部分暴露出下面的纤维表面；
c)在有效提高所述纤维表面的表面能的条件下处理所述暴露的纤维表面；
d)将保护性涂料施加到至少一部分的经处理纤维表面上以由此形成涂布的、经处理的纤维；和
e)使该涂布的、经处理的纤维通过一个或多个干燥器以将该涂布的、经处理的纤维上的涂料干燥，同时在该涂布的、经处理的纤维通过所述一个或多个干燥器时拉伸它们，由此形成具有大于27克/旦的韧度的高定向纤维。
[0009]本发明还提供一种方法，该方法包括:
a)提供一根或多根部分定向的纤维，所述部分定向纤维的每一根具有至少部分暴露的表面区域，所述表面区域至少部分不具有纤维表面整理剂；
b)在有效提高所述纤维表面的表面能的条件下处理该暴露的纤维表面；
c)将保护性涂料施加到至少一部分的经处理纤维表面上以由此形成涂布的、经处理的纤维；和
d)使该涂布的、经处理的纤维通过一个或多个干燥器以将该涂布的、经处理的纤维上的涂料干燥，同时在该涂布的、经处理的纤维通过所述一个或多个干燥器时拉伸它们，由此形成具有大于27克/旦的韧度的高定向纤维。
[0010]本发明进一步提供了一种方法，该方法包括:
a)提供一根或多根经处理的部分定向的纤维，其中所述部分定向的纤维具有至少大约18克/旦最高至大约27克/旦的韧度，和其中所述经处理的部分定向的纤维的表面在有效提高所述纤维表面的表面能的条件下进行处理；
b)将保护性涂料施加到至少一部分的经处理纤维表面上以由此形成涂布的、经处理的纤维，其中在提高所述纤维表面的表面能的处理后立即将所述保护性涂料施加到该经处理的纤维表面上；和
c)使该涂布的、经处理的纤维通过一个或多个干燥器以将该涂布的、经处理的纤维上的涂料干燥，同时在该涂布的、经处理的纤维通过所述一个或多个干燥器时拉伸它们，由此形成具有大于27克/旦的韧度的高定向纤维。
[0011]还提供由所述方法制成的纤维复合材料。
[0012]附图的简要描述
图1图解了使用并入一系列水平布置的炉的加热装置(炉外部具有拉伸辊)的后拉伸工艺的实施例。
[0013]图2图解了使用并入具有内部拉伸辊的单个炉的加热装置的后拉伸工艺的实施例。
[0014]发明详述
提供处理和涂布部分定向纤维的方法，所述纤维随后拉伸以制造高定向的纤维。如在本文中所用，“部分定向”纤维，或称作部分定向纱，是已经经历一个或多个拉伸步骤的纤维(或纱)，所述拉伸步骤导致具有至少大约18克/旦最高至大约27克/旦的韧度的纤维的制造。在共同拥有的美国专利申请公开2011/0266710和2011/0269359 (其在同此一致的程度上经引用并入本文)中，描述了由部分定向纤维制造高定向纤维的合意方法。如在所述公开中描述的，“部分定向”纤维(或“部分定向纱”)与“高定向”纤维(纱)的区别在于高定向纤维是由部分定向纤维制成的，使该部分定向纤维经历后-拉伸操作以由此提高其纤维韧度。在本发明的背景中，高定向纤维(纱)具有高于27克/旦的纤维韧度。如本文所用，术语“韧度”是指以无应力试样的力(克)/单位线性密度(旦)表示的拉伸应力并通过ASTMD2256测量。纤维的“初始模量”是代表其抗形变性的材料性质。术语“拉伸模量”是指以克-力/旦(g/d)表示的韧度变化与以原始纤维长度的分数(in/in)表示的应变变化的比率。
[0015]根据本发明，提供方法，其中首先处理部分定向的纤维以从该纤维表面脱除至少一部分纤维表面整理剂以至少部分暴露出下面的纤维表面，接着在有效提高纤维表面的表面能的条件下处理该暴露的纤维表面，接着将该处理的纤维涂布以保护性涂料。在施加保护性涂料后，使该涂布的、经处理的纤维经历后-拉伸操作，其中在干燥保护性涂料的同时拉伸纤维以形成高定向的纤维。
[0016]为进一步限定本发明，“纤维”是长度尺寸远大于宽度和厚度的横向尺寸的细长体。用于本发明的纤维的横截面可千差万别，它们的横截面可以是圆形、扁平或椭圆形。因此术语“纤维”包括具有规则或不规则横截面的丝、带、条等，但该纤维优选具有基本圆形横截面。本文所用的术语“纱”定义为由许多纤维构成的单束。单纤维可以由仅一根丝形成或由多根丝形成。由仅一根丝形成的纤维在本文中被称作“单一丝”纤维(“单丝”纤维)，由多根丝形成的纤维在本文中被称作“复丝”纤维。
[0017]通常对所有纤维施加纤维表面整理剂以促进其加工性。为允许纤维表面的直接等离子体或电晕处理，存在的纤维表面整理剂需要至少部分从纤维表面脱除，优选从将形成纤维复合材料的部分或全部组分纤维的全部或部分纤维表面基本完全脱除。纤维整理剂的这种脱除还将用于增强纤维-纤维摩擦和允许树脂或聚合粘合剂材料直接粘合到纤维表面上，由此提高纤维-涂料粘合强度。
[0018]洗涤纤维或以其它方式除去纤维整理剂的步骤除去足够的纤维整理剂以暴露出至少一部分下方纤维表面，尽管应该期望不同的脱除条件脱除不同量的整理剂。例如，洗涤剂的组成(例如水)、洗涤技术的机械属性(例如水接触纤维的力；洗涤浴的搅动等)之类的因素会影响除去的整理剂的量。对本文目的而言，用于实现纤维整理剂的最低限度脱除的最低限度加工通常暴露出至少10%的纤维表面积。优选除去纤维表面整理剂以使纤维主要不含纤维表面整理剂。本文所用的“主要不含”纤维表面整理剂的纤维是已除去其整理剂的至少50重量％，更优选除去其整理剂的至少大约75重量％的纤维。其甚至更优选基本不含纤维表面整理剂的纤维。“基本不含”纤维整理剂的纤维是已除去其整理剂的至少大约90重量％，最优选已除去其整理剂的至少大约95重量％的纤维，由此暴露出至少大约90%或至少大约95%的之前被纤维表面整理剂覆盖的纤维表面积。最优选地，任何残留整理剂会以占纤维重量+整理剂重量的小于或等于大约0.5重量％，优选小于或等于大约0.4重量％，更优选小于或等于大约0.3重量％，更优选小于或等于大约0.2重量％，最优选占纤维重量+整理剂重量的小于或等于大约0.1重量％的量存在。
[0019]根据纤维整理剂组合物的表面张力，整理剂可能表现出在纤维表面上自分布的倾向，即使除去显著量的整理剂。因此，主要不含纤维表面整理剂的纤维可能仍有一部分表面区域被纤维整理剂的极薄涂层覆盖。但是，这种残留纤维整理剂通常会作为整理剂的残留斑块而非连续涂层存在。相应地，具有主要不含纤维表面整理剂的表面的纤维优选具有至少部分暴露出来并且未被纤维整理剂覆盖的其表面，其中优选小于50%的纤维表面区域被纤维表面整理剂覆盖。如果纤维整理剂的脱除导致小于50%的纤维表面区域被纤维表面整理剂覆盖，保护性涂料材料由此将与大于50%的纤维表面区域直接接触。
[0020]最优选地，从纤维上基本完全除去纤维表面整理剂并基本完全暴露出纤维表面。在这方面，基本完全除去纤维表面整理剂是除去至少大约95%，更优选至少大约97.5%，最优选除去至少大约99