一种UHMWPE片材的制造方法与流程

本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维生产设备技术领域，特别涉及一种UHMWPE片材的制造方法。

背景技术：

超高分子量聚乙烯(英文简称UHMWPE)片材的制造方法包括两种：织造法和非织造法，通过非织造法即得到单取向预浸带。根据经验数据可知，UHMWPE纤维最适合于做成单取向预浸带，这样避免了织造物中在纤维交叉处由应力波的反射和叠加而成的最弱点，单取向排布的预浸带更有利于纤维的能量吸收和能量耗散。

美国专利US4916000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，将纤维束通过两根展丝辊铺展，然后在铺展好的纤维上喷涂合适的胶粘剂，干燥得到单取向预浸带。

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连续制备方法，在该专利中，让纤维带上高压静电使纤维均匀铺展，在铺展的纤维上喷涂胶粘剂，将胶粘剂干燥制得单取向预浸带。

上述的美国专利US4916000只公开了预浸料的简单制备方法，没有对预浸料的厚度均匀性进行控制，如果期望提高防弹性能，就必须提高预浸料的均匀性和平整度，而预浸带均匀性直接与展丝的均匀相关，美国专利US4916000只用两根展丝棒铺展纤维，很难使纤维高度均匀排布。

上述的中国专利CN1291090C利用高压静电发生装置和静电消除器铺展纤维束做成的预浸带，其纤维展丝均匀性有待提高，而且生产安全性存在隐患。

由此可见，如何对现有技术的UHMWPE片材的制造方法进行改进，提高单取向预浸带的均匀性，进而得到防弹性能好的UHMWPE片材，这是本领域目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种UHMWPE片材的制造方法，提高单取向预浸带的均匀性，进而得到防弹性能好的UHMWPE片材。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种UHMWPE片材的制造方法，包括将纤维束进行退绕、集束、排布、展开、上胶、干燥的步骤，所述展开步骤采用展丝设备进行，所述展丝设备包括若干个展丝单元，每个展丝单元包括大体沿水平方向设置的第一展丝件以及大体沿水平方向设置的第二展丝件，所述第一展丝件具有弧形曲面，所述第二展丝件具有棱角，所述纤维束通过接触所述第一展丝件的弧形曲面以及接触所述第二展丝件的棱角来展开。本发明的技术方案中，通过设置第一展丝件，第一展丝件的弧形曲面对待加工的纤维进行均匀拉伸和延展，然后再通过第二展丝件上设置的至少一个棱柱，用于与被加工纤维束接触，这样可以使纤维束在该棱角的作用下，受到一定张力的挤压而坍塌成扁状，充分铺展开。本发明的技术方案中，展丝单元可以为一个，也可为两个以上，每个展丝单元中的第一展丝件可以为一个，也可以为两个以上，第二展丝件可以为一个，也可为两个以上。第一展丝件、第二展丝件可以为柱体形，也可以为台体形等其他形状。

作为一种可供选择的技术方案，进行所述展开步骤时，所述各展丝单元的第一展丝件、第二展丝件的转速为10～100转/分钟。

作为一种可供选择的技术方案，位于展丝设备最前端的第一展丝件连接一驱动机构且在其驱动下转动，并通过纤维束的传动作用带动展丝设备的其余第一展丝件、第二展丝件转动。

作为一种可供选择的技术方案，在所述展丝单元中，所述第二展丝件位于所述第一展丝件的下游，所述第二展丝件与所述第一展丝件在竖直方向的距离为100mm-800mm、在水平方向的距离为100mm-800mm。

作为一种可供选择的技术方案，所述第二展丝件为多边棱柱体。

作为另一种可供选择的技术方案，所述第二展丝件的横截面为由弧线和直线围成的面。此种结构也会形成所述的棱角。

作为一种可供选择的技术方案，所述第二展丝件上用于接触所述纤维束的棱角有两个，两个棱角之间的距离为50mm-100mm。

作为一种可供选择的技术方案，所述展丝单元的数量为2-8个。

作为一种可供选择的技术方案，所述展丝单元中具有两个以上间隔设置的第二展丝件。

作为一种可供选择的技术方案，所述第一展丝件为展丝辊，直径为50mm-120mm。

作为一种可供选择的技术方案，在所述展丝单元中具有两个以上高低错落设置的第一展丝件。

作为一种可供选择的技术方案，所述展丝单元中第一展丝件的直径不同。

本发明的UHMWPE片材的制造方法，包括将纤维束进行退绕、集束、排布、展开、上胶、干燥的步骤，其中，所述展开的步骤采用展丝设备进行，所述展丝设备包括若干个展丝单元，每个展丝单元包括大体沿水平方向设置的第一展丝件以及大体沿水平方向设置的第二展丝件，所述第一展丝件具有弧形曲面，所述第二展丝件具有棱角，所述纤维束通过接触所述第一展丝件的弧形曲面以及接触所述第二展丝件的棱角来展开，在第一展丝件弧形曲面的作用下，拉伸延展变薄，再经过在第二展丝件时，在接触到其上设置的棱角处时，纤维束受到一定张力的挤压而坍塌成扁状，巧妙地利用了坍塌效应使纤维束充分铺展开。通过本发明方法制成的单取向预浸带，既薄又轻，其纤维面密度可达到18-30g/m²，而现有的展丝技术纤维面密度则为40-60g/m²，本发明方法制得的单取向预浸带在同种面密度下，防弹性能提高至少10％。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的UHMWPE片材的制造方法所用展丝设备的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的UHMWPE片材的制造方法所用展丝设备的结构示意图；

图3为本发明实施例3提供的UHMWPE片材的制造方法所用展丝设备的结构示意图；

图4为本发明实施例4提供的UHMWPE片材的制造方法所用展丝设备的结构示意图；

图5为本发明实施例5提供的UHMWPE片材的制造方法所用展丝设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的UHMWPE片材的制造方法包括如下步骤：

1)将一定筒数的纤维从纱架上退绕；

2)退绕的纤维束通过集束架集束；

3)将集束后的纤维束通过伸缩筘均匀排布纤维束；

4)将排布好的纤维束通过展丝设备进行展丝：纤维束经过展丝设备中各展丝单元的第一展丝件、第二展丝件时，利用第一展丝件的弧形曲面的延展效应和第二展丝件棱角的坍塌效应以及张力将纤维束均匀铺展开；

5)铺展好的纤维束通过浸胶槽上胶；

6)上胶后的纤维通过一对轧辊控制含胶量；

7)然后在热甬道里充分干燥；

8)收卷。

其中，展丝步骤中所用的展丝设备，其展丝单元可以为一个，也可为两个以上，每个展丝单元中的第一展丝件可以为一个，也可以为两个以上，第二展丝件可以为一个，也可为两个以上。第一展丝件、第二展丝件可以为柱体形，也可以为台体形等其他形状。其中，作为一个可选的实施方案，位于展丝设备最前端的第一展丝件连接一驱动机构且在其驱动下转动，并通过纤维束的传动作用带动展丝设备的其余第一展丝件、第二展丝件转动，这种设置使得各第一展丝件、第二展丝件的转速存在一定差异，从而使得其张力存在一定的偏差，这样对展丝效果更佳。各第一展丝件、第二展丝件的转速优 选为10-100转/分钟，进一步优选为20-80转/分钟。其中，作为一个可选的实施方案，位于展丝设备最前端的第一展丝件为主动辊，其余第一展丝件、第二展丝件为被动辊或被动件，这种设置使得各第一展丝件、第二展丝件的转速存在一定差异，从而使得其张力存在一定的偏差，这样使得展丝效果更佳。各第一展丝件、第二展丝件的转速优选为10-100转/分钟，进一步优选为20-80转/分钟。

实施例1

本实施例的UHMWPE片材的制造方法包括如下步骤：将市售超高分子量聚乙烯纤维800D/840F(强度36cN/dtex，模量1300cN/dtex)依次通过纱架退绕、集束架集束、伸缩筘排布，然后再采用展丝设备展丝排布，再将铺展好的纤维束通过浸胶槽上胶，本实施例采用聚氨酯乳液胶粘剂，上胶量约为30％，涂胶后的纤维通过热甬道65℃干燥，最后经收卷装置收卷。

本实施例所用的展丝设备如图1所示，其包括四个间隔设置的展丝单元，每个展丝单元包括第一展丝件——展丝辊1、位于第一展丝件下游的第二展丝件——展丝梁2，其中展丝辊1为圆柱状，直径为70mm，展丝梁2为横截面为正方形的四棱柱，正方形的边长为75mm。本实施例中，各展丝单元的展丝辊1均处于同一水平线上，展丝梁2均处于同一水平线上。本实施例中，进行展开步骤时，控制展丝设备的各第一展丝件、第二展丝件的转速为10-20转/分钟。

本实施例制备的单取向预浸带的面密度为30g/m²。

将上述得到的预浸带按0°/90°二正交复合，也可以是按0°/90°/0°/90°四正交复合。复合后的材料两侧附上低密度聚乙烯薄膜，便于保护产品和提高磨损性，其面密度为130g/m²，用千分尺在正交后的预浸料带的左中右和前后不同部位测试其厚度，其厚度为0.13mm，厚度偏差为0.006mm。

将45层，400*400mm，面密度为130g/m²的预浸料正交叠层，按NATO 2920标准，测试1.1g破片模拟弹，测得V50值为635m/s。

实施例2

本实施例的UHMWPE片材的制造方法包括如下步骤：将市售的超高分子量聚乙烯纤维400D/400F(强度37cN/dtex，模量1350cN/dtex)依次纱架退绕、集束架集束、伸缩筘排布，然后再采用展丝设备展丝排布，再将铺展好的纤维束通过浸胶槽上胶，本实施例采用聚氨酯乳液胶粘剂，上胶量约为25％，涂 胶后的纤维通过热甬道70℃干燥，最后经收卷装置收卷。

本实施例中的展丝设备如图2所示，与实施例1不同的是，本实施例中每个展丝单元中都设有两个直径不同的第一展丝件——展丝辊1，位于下游的展丝辊1的直径为50mm，位于上游的展丝辊1的直径为85mm，展丝梁的边长为85mm。本实施例这种设置两个展丝辊的展丝单元，其展丝效果更好。本实施例中，进行展开步骤时，控制展丝设备的各第一展丝件、第二展丝件的转速为30-40转/分钟。

本实施例制备的单取向预浸带的面密度为25g/m²。

将上述得到的预浸带按0°/90°二正交复合，也可以是按0°/90°/0°/90°四正交复合。复合后的材料两侧附上低密度聚乙烯薄膜，便于保护产品和提高磨损性，其面密度为110g/m²，用千分尺在正交后的预浸料带的左中右和前后不同部位测试其厚度，其厚度为0.11mm，厚度偏差为0.005mm。

将53层，400*400mm，面密度为110g/m²的预浸料正交叠层，按NATO 2920标准测试1.1g破片模拟弹，测得V50值为665m/s。

实施例3

本实施例的UHMWPE片材的制造方法包括如下步骤：将市售的超高分子量聚乙烯纤维800D/360F(强度38cN/dtex，模量1450cN/dtex)依次纱架退绕、集束架集束、伸缩筘排布，然后再采用展丝设备展丝排布，再将铺展好的纤维束通过浸胶槽上胶，本实施例采用聚氨酯乳液胶粘剂，上胶量约为22％，涂胶后的纤维通过热甬道68℃干燥，最后经收卷装置收卷。

本实施例中的展丝设备如图3所示，与实施例1不同的是，本实施例中的展丝梁2为横截面为三角形的三棱柱，边长为95mm，展丝辊的直径为94mm，其余均与实施例1的结构相同。

本实施例中，展丝时，控制展丝设备的各第一展丝件、第二展丝件的转速为40-50转/分钟。

本实施例制备的单取向预浸带的面密度为25g/m²。

将上述得到的预浸带按0°/90°二正交复合，也可以是按0°/90°/0°/90°四正交复合。复合后的材料两侧附上低密度聚乙烯薄膜，便于保护产品和提高磨损性，其面密度为110g/m²，用千分尺在正交后的预浸料带的左中右和前后不同部位测试其厚度，其厚度为0.11mm，厚度偏差为0.005mm。

将53层，400*400mm，面密度为110g/m²的预浸料正交叠层，按NATO 2920标准测试1.1g破片模拟弹，测得V50值为684m/s。

实施例4

本实施例的UHMWPE片材的制造方法包括如下步骤：将市售的超高分子量聚乙烯纤维800D/840F(强度36cN/dtex，模量1300cN/dtex)依次纱架退绕、集束架集束、伸缩筘排布，然后再采用展丝设备展丝排布，再将铺展好的纤维束通过浸胶槽上胶，本实施例采用聚氨酯乳液胶粘剂，上胶量约为30％，涂胶后的纤维通过热甬道65℃干燥，最后经收卷装置收卷。

本实施例中的展丝设备如图4所示，与实施例1不同的是，本实施例中有四个展丝单元，其中两个展丝单元中设有两个展丝梁2，边长均为75mm，另外两个展丝单元只设一个展丝梁，其余均与实施例1的结构相同。

本实施例中，展丝时，控制展丝设备的各第一展丝件、第二展丝件的转速在为50-60转/分钟。

本实施例制备的单取向预浸带的面密度为25g/m²。

将上述得到的预浸带按0°/90°二正交复合，也可以是按0°/90°/0°/90°四正交复合。复合后的材料两侧附上低密度聚乙烯薄膜，便于保护产品和提高磨损性，其面密度为110g/m²，用千分尺在正交后的预浸料带的左中右和前后不同部位测试其厚度，其厚度为0.11mm，厚度偏差为0.005mm。

将53层，400*400mm，面密度为110g/m²的预浸料正交叠层，按NATO 2920标准测试1.1g破片模拟弹，测得V50值为648m/s。

实施例5

本实施例的UHMWPE片材的制造方法包括如下步骤：将市售的超高分子量聚乙烯纤维800D/360F(强度38cN/dtex，模量1450cN/dtex)依次纱架退绕、集束架集束、伸缩筘排布，然后再采用展丝设备展丝排布，再将铺展好的纤维束通过浸胶槽上胶，本实施例采用聚氨酯乳液胶粘剂，上胶量约为20％，涂胶后的纤维通过热甬道68℃干燥，最后经收卷装置收卷。

本实施例中的展丝设备如图5所示，与实施例1不同的是，本实施例中有两个展丝单元，展丝单元中设有的展丝梁2，其横截面形状为半圆形，底边边长为65mm，其余均与实施例1的结构相同。本实施例中，进行展开步骤时，控制展丝设备的各第一展丝件、第二展丝件的转速为70-100转/分钟。

本实施例制备的单取向预浸带的面密度为25g/m²。

将上述得到的预浸带按0°/90°二正交复合，也可以是按0°/90°/0°/90°四正交复合。复合后的材料两侧附上低密度聚乙烯薄膜，便于保护产品和提高磨损性，其面密度为110g/m²，用千分尺在正交后的预浸料带的左中右和前后不同部位测试其厚度，其厚度为0.11mm，厚度偏差为0.005mm。

将53层，400*400mm，面密度为110g/m²的预浸料正交叠层，按NATO 2920标准测试1.1g破片模拟弹，测得V50值为657m/s。

对照例

制备过程中没有采用本发明展丝设备进行展丝而制得的同类产品，其面密度为160g/m²，用千分尺在正交后的预浸料带的左中右和前后不同部位测试其厚度，其厚度为0.16mm，厚度偏差为0.18mm。

将45层，400*400mm，面密度为160g/m²的预浸料正交叠层，按NATO 2920标准，测试1.1g破片模拟弹，测得V50值为595m/s。

由以上实施例和对照例的数据可以得出，本发明的制备方法制得的单取向预浸带，在同种面密度下，防弹性能相比于现有技术提高至少10％。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。