本发明涉及一种短纤增强复合纤维，尤其涉及一种短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维及制备方法。
背景技术：
：进入21世纪以来，材料领域飞速发展，涌现了一批引起行业变革的新材料，其中作为三大高性能材料的碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维已取代了多个领域中的金属材料，高性能纤维材料具有强度高、刚性大、化学稳定性好等特点。其中，超高分子量聚乙烯纤维由于原料易得，成本相对较低，已经产业化生产十几年且在各领域得到广泛应用。超高分子量聚乙烯纤维具有高取向度、高结晶度，微纤沿拉伸方向排列规整度高的结构的特点。尤其是以其力学性能优异，轴向拉伸强度很高，比强度是现有高性能纤维中最高的；且密度仅为芳纶的2/3和高模碳纤维的1/2；，在多种介质中，如水、油、强酸和强碱等溶液中具有优良的抗湿性和抗化学腐蚀性能，打破了芳纶、碳纤维的垄断地位，并逐渐取代芳纶、碳纤维在多个领域的应用，可用于军队装备物资、机械制造、薄板加工、玻璃切割、精工打磨、锻件搬运、屠宰分割、消防救援、野外防护、刀具生产、造纸、航运、渔业、海上工业用绳索、电缆、渔网，登山绳索等领域；并在汽车、航空航天、国防兵器等领域，发挥了越来越大的作用。近年来，超高分子量聚乙烯纤维主要大范围用于织造防切割、防刺服装及手套，缆绳，登山绳索等。随着适用领域的深入，某些使用条件下的缺陷也逐渐暴露出来。当超高分子量聚乙烯纤维用来织造防切割用品时，使用一定时间后，主要防护部位出现破损，防护性能下降，继续使用时，很容易发生严重破损导致人体受到利器伤害。其根本原因是提供主要防切割效果的超高分子量聚乙烯纤维模量不足，使用后磨损部位的防切割指数下降而产生的。当超高分子量聚乙烯纤维用来编织缆绳时，尤其作为系泊缆绳使用时，船舶长期停靠在港口或海事作业平台，系泊缆绳为船体的稳定起到关键的作用，随着海水流动，船舶轻微的移动产生的拉力也不容小觑，尤其当船舶吨位较重或载货时，系泊缆绳所承受的力是连续且不断发生变化的。当系泊时间足够长时，超高分子量聚乙烯原料缆绳发生一定的蠕变伸长，且这部分伸长时不可恢复的，蠕变使缆绳综合使用性能下降，尤其以与金属连接处的性能下降最快。蠕变的产生主要是由于纤维高度有序的大分子结构简单，缺乏极性基团，分子链间结合力较弱，长期使用时发生分子链的滑移，随着超高分子量聚乙烯纤维在安全防护领域大范围应用，由于其本身分子结构特殊性产生的问题越来越多，使之具备优良性能的因素反而成为制约该纤维进一步应用的弊端，尤其以防护制品防切割指数不足、绳类制品蠕变现象严重最为突出，因此，解决这一类的问题显得尤为重要。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明提供了一种超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维及其制造方法，采用具有增强效果的超短纤作为改性填料，添加至超高分子量聚乙烯纤维生产过程中，制备一种具有使用寿命长，强度、模量高，蠕变小的复合纤维，以解决防切割制品性能不足、绳索蠕变现象严重等问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维，包括有超短纤和超高分子量聚乙烯，所述超短纤和超高分子量聚乙烯的质量比为3：97到5：97。进一步改进在于：所述超短纤为玻璃纤维超短纤或玄武岩纤维超短纤。进一步改进在于：所述超高分子量聚乙烯粉状原料的分子量控制在400-600万，纺丝液的含固量控制在10%以下，其中固体成分不仅包括超高分子量聚乙烯，还包含作为增强相得超短纤，即玻璃纤维超短纤、玄武岩纤维超短纤。进一步改进在于：所述超短纤的重量百分比为3%~5%。进一步改进在于：所述复合纤维的线密度33~1776dtex，断裂强力50~150n，断裂强度30~35cn/dtex，断裂伸长13~18mm，断裂伸长率2.8~4.2%，断裂模量770~1340cn/dtex，初始模量0.3~6.2cn/dtex。一种超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维的制造方法，先将超短纤与纺丝溶剂白油配置成质量百分数为6.67%的混合液，连续搅拌分散均匀；超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂白油按照重量百分数的9.5%制成纺丝溶胀液，再将超短纤混合液与纺丝溶胀液在双螺杆挤出机入口端同时注入，控制超短纤混合液的流量为12.18kg/h，纺丝溶胀液流量为171.05kg/h，使超短纤与超高分子量聚乙烯的质量比为3：97到5：97，经过喷丝系统，每个喷丝头分成均匀的四束纤维，得到含有超短纤的初生纤维，初生纤维在室温下平衡静置36~48h后，用萃取剂萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七辊牵伸机加热箱中140℃下进行热拉伸，拉伸比维持在40-45，得到玻璃纤维超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维。本发明的有益效果是：本发明涉及的方法采用超短纤增强的方法，提高纤维制品防切割性能及改善蠕变现象，制备的复合纤维在原有高强度、高模量的基础上，提高了纤维应力应变性能，切割性能得到显著提高；有效改善了分子链易滑移导致的蠕变，通过使用性能测定发现，本发明涉及的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维还可应用于复合材料领域，如建筑增强纤维材料、轻质防弹材料等。具体实施方式为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。实施例一玻璃纤维超短纤与纺丝溶剂白油配置成质量百分数为6.67%的混合液，连续搅拌分散均匀；超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂白油按照重量百分数的9.5%制成纺丝溶胀液；将超短纤混合液与纺丝溶胀液在双螺杆挤出机入口端同时注入，控制超短纤混合液的流量为12.18kg/h，纺丝溶胀液流量为171.05kg/h，使超短纤与超高分子量聚乙烯的质量比为5:97，经过喷丝系统，每个喷丝头分成均匀的四束纤维，得到含有超短纤的初生纤维；初生纤维在室温下平衡静置36~48h后，用萃取剂（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七辊牵伸机-加热箱中140℃下进行热拉伸，拉伸比维持在40，得到玻璃纤维超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维。实施例二玻璃纤维超短纤与纺丝溶剂白油配置成质量百分数为6.67%的混合液，连续搅拌分散均匀；超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂白油按照重量百分数的9.5%制成纺丝溶胀液；将超短纤混合液与纺丝溶胀液在双螺杆挤出机入口端同时注入，控制超短纤混合液的流量为12.18kg/h，纺丝溶胀液流量为171.05kg/h，使超短纤与超高分子量聚乙烯的质量比为5:95，经过喷丝系统，每个喷丝头为一束，得到含有超短纤的初生纤维；初生纤维在室温下平衡静置36~48h后，用萃取剂（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七辊牵伸机-加热箱中145℃下进行热拉伸，拉伸比维持在42，得到玻璃纤维超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维。实施例三玻璃纤维超短纤与纺丝溶剂白油配置成质量百分数为6.67%的混合液，连续搅拌分散均匀；超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂白油按照重量百分数的9.5%制成纺丝溶胀液；将超短纤混合液与纺丝溶胀液在双螺杆挤出机入口端同时注入，控制超短纤混合液的流量为12.18kg/h，纺丝溶胀液流量为171.05kg/h，使超短纤与超高分子量聚乙烯的质量比为5:95，经过喷丝系统，每两个喷丝头为一束，得到含有超短纤的初生纤维；初生纤维在室温下平衡静置36~48h后，用萃取剂（prime103）萃取，然后在44℃下干燥15min，最后在七辊牵伸机-加热箱中148℃下进行热拉伸，拉伸比维持在45，得到玻璃纤维超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维。实施例四玻璃纤维超短纤与纺丝溶剂白油配置成质量百分数为4.00%的混合液，连续搅拌分散均匀；超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂白油按照重量百分数的9.5%制成纺丝溶胀液；将超短纤混合液与纺丝溶胀液在双螺杆挤出机入口端同时注入，控制超短纤混合液的流量为12.18kg/h，纺丝溶胀液流量为171.05kg/h，使超短纤与超高分子量聚乙烯的质量比为3:97，经过喷丝系统，每个喷丝头分为两束纤维，得到含有超短纤的初生纤维；初生纤维在室温下平衡静置36~48h后，用萃取剂（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七辊牵伸机-加热箱中143℃下进行热拉伸，拉伸比维持在40，得到玻璃纤维超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维。实施例五玻璃纤维超短纤与纺丝溶剂白油配置成质量百分数为5.34%的混合液，连续搅拌分散均匀；超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂白油按照重量百分数的9.5%制成纺丝溶胀液；将超短纤混合液与纺丝溶胀液在双螺杆挤出机入口端同时注入，控制超短纤混合液的流量为12.18kg/h，纺丝溶胀液流量为171.05kg/h，使超短纤与超高分子量聚乙烯的质量比为4:96，经过喷丝系统，每个喷丝头分为两束纤维，得到含有超短纤的初生纤维；初生纤维在室温下平衡静置36~48h后，用萃取剂（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七辊牵伸机-加热箱中143℃下进行热拉伸，拉伸比维持在40，得到玻璃纤维超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维。实施例六玻璃纤维超短纤与纺丝溶剂白油配置成质量百分数为6.67%的混合液，连续搅拌分散均匀；超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂白油按照重量百分数的9.5%制成纺丝溶胀液；将超短纤混合液与纺丝溶胀液在双螺杆挤出机入口端同时注入，控制超短纤混合液的流量为12.18kg/h，纺丝溶胀液流量为171.05kg/h，使超短纤与超高分子量聚乙烯的质量比为5:95，经过喷丝系统，每个喷丝头分为两束纤维，得到含有超短纤的初生纤维；初生纤维在室温下平衡静置36~48h后，用萃取剂（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七辊牵伸机-加热箱中143℃下进行热拉伸，拉伸比40，得到玻璃纤维超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维。实施例七超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂白油按照重量百分数的9.5%制成纺丝溶胀液；注入双螺杆挤出机，流量控制为171.05kg/h，经过喷丝系统，每个喷丝头分为两束纤维，得到含有超短纤的初生纤维；初生纤维在室温下平衡静置36~48h后，用萃取剂（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七辊牵伸机-加热箱中143℃下进行热拉伸，拉伸比40，得到超高分子量聚乙烯纤维。超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维的性能指标如下：性能指标实施例一实施例二实施例三线密度/（dtex）123431856.00断裂强力/（n）37.9980.93163.52断裂强度/（cn/dtex）30.8929.4431.09断裂伸长/（mm）18.7714.3218.37断裂伸长率/（%）3.132.392.98断裂模量/（cn/dtex）1015.841026.451016.61初始模量/（cn/dtex）3.188.567.07超短纤的重量百分比控制在3%~5%，由公式：“超短纤重量百分比（%）=（m2/m1）×100%”得出，其中取一定量的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维，记作m1，100℃烘干2h后称重，于马弗炉中450℃灼烧3h，冷却后采用差量法称量残留物质量m2。制备含量不同的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维：实施例四的线密度233dtex，断裂强力70.66n，断裂强度30.32cn/dtex，断裂伸长率2.36%，断裂模量1289.79cn/dtex，预设超短纤添加量3%；实施例五的线密度243dtex，断裂强力71.84n，断裂强度30.69cn/dtex，断裂伸长率2.52%，断裂模量1171.61cn/dtex，预设超短纤添加量4%；实施例六的线密度214dtex，断裂强力65.69n，断裂强度29.57cn/dtex，断裂伸长率2.38%，断裂模量1291.02cn/dtex，预设超短纤添加量5%；实施例七的线密度228dtex，断裂强力82.39n，断裂强度32.35cn/dtex，断裂伸长率2.82%，断裂模量1238.31cn/dtex，超短纤添加量0。实际超短纤含量及防切割指数如下：实施例四实施例五实施例六实施例七超短纤预设含量/%3450超短纤实际含量/%2.563.454.8102000h，10%断裂强力下的蠕变/%1.080.950.655.3纺织品平均防切割指数30.338.444.626.9本发明的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维用作防切割材料时，超高分子量聚乙烯纤维材料是主要的防切割成分，辅助以其他纤维材料，如锦纶、氨纶、涤纶、不锈钢纤维等，通过组织结构设计，可得截面异性的防切割包覆纱，再将防切割包覆纱进行织造加工，得到的纺织品具有防护锐器刺伤、割伤的作用。本发明涉及的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维除了具备高强度、高模量的性能外，其防切割性能优良，断裂强度最高可达35cn/dtex，初始模量最高6.2cn/dtex，提供了良好的防切割性能。当用于织造防切割防护用品时，将防切割包覆纱在手套编织机上进行加工，得到的手套制品，根据en388标准检测制品的防切割指数可达40以上，远高于五级标准防切割指数20的标准，在建筑、电力、切割行业的实际使用过程中，防切割手套制成品手掌部位为重点防护部位，使用寿命可延长一倍以上，对手部可起到良好的保护作用。本发明所述的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维可用于编制缆绳产品，所述的缆绳产品采用1200~6400d的增强复合纤维，具有以下性能指标：（1）复合纤维内部存在的超短纤，增大了纤维分子链间的摩擦力，抵抗外力变形能力增大，尤其是受到断裂强度的10%的外力2000h后，缆绳的蠕变由原来的4~8%降为0.65~1.08%。（2）超高分子量聚乙烯纤维本身具有良好的耐光性能，经过超短纤增强后的复合纤维其耐光性得到增强，经过1500h的模拟光照，强度保持率由原来的80%提高到87%以上。（3）本发明所述的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维制成缆绳产品时，由于密度小，直径细，相同断裂强力下的绳子直径为尼龙缆绳直径的3/5。（4）缆绳制品的直径介于30~120mm之间，尤其当直径为120mm时，断裂强力可达2000kn以上。本发明所述的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维可用于制造钓鱼线，所述的钓鱼线采用线密度为100~400d的增强复合纤维，原料纤维的断裂强力为50~150n，能够保证钓鱼线产品的断裂强力维持在较高的水平。通过四股或八股编织，断裂强力在600~1200n之间，高于尼龙钓鱼线的3倍以上。本发明所述的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维用于制造纤维复合材料，由于添加了超短纤材料，某些嵌入纤维中的超短纤提高了纤维表面的摩擦力，与基体树脂结合时，吸附树脂能力增强，与基体树脂的粘结性能提高，单丝拔出强度提高了20~27%左右，通常可达125n以上。本发明所述的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维可做为原料，通过平铺法制成ud板，用于防弹衣的内芯；或采用三维编织方法制成三维织物复合材料，可用于装甲车的软质防弹体。本发明所述的超短纤增强超高分子量聚乙烯复合纤维可再进行切割加工，用作水泥增强材料，当纤维添加量为0.6~1.2kg/m3时，水泥复合材料的抗压强度最大可达61.05mpa。当前第1页12