纤维、织物及其制备方法与流程

本发明涉及一种纤维、织物及其制备方法，具体涉及一种耐切割纤维、织物及其制备方法。

背景技术：

在现代工业、建筑业、物流业等领域，从业人员与金属、矿石、建材、切割设备等硬质材料接触频繁，受伤概率增大。为降低这种伤害，使用轻便、耐用、舒适的耐切割织物(防护服、耐切割手套等)替代原有的棉纱劳保品，提高防护等级已成为主流趋势。

目前耐切割纤维及织物主要有金属丝制、对位芳纶制、超高分子量聚乙烯纤维制三种。其中超高分子量聚乙烯纤维因为其高强、高模的特性，故具有极好的耐切割性能，被广泛用于耐切割手套、服用纺织品等产品中。超高分子量聚乙烯纤维制成的耐切割纤维通过包覆金属丝或玻纤形成皮芯结构复合纤维，或者包覆弹性纤维提高耐切割性能。

实用新型专利201520500307.8公开一种高耐切割等级织物用复合纱线，包括芯材长丝和包覆层，包覆层中的短纤维以垂直方向包覆与芯材长丝外面，芯材为无机纤维长丝，但这种包覆无机金属丝或玻璃纤维的方法，因其无机金属、玻纤的加入会导致手感变硬，舒适感变差，特别是包覆玻纤时，玻纤易脆断，产生针刺感，降低使用寿命。另外，cn201410474250.9公开了一种由超高分子量聚乙烯和纳米晶结构形态的无机超细微粉构成，无机超细微粉是铝、钛、硅、硼、锆的氧化物、碳化物、氮化物的一种或组合，无机超细微粉半径为0.1～300微米。cn102308035a公开一种耐切割复合纤维，包含至少一种丝线或短切纤维纤维，并包含一种连续弹性丝线，且丝线或短切纤维中含有硬质组分，平均直径至多25μm。这种纤维制成的手套，耐切割性比同规格常规手套提高3.9倍。前者无机微粉，在纤维内部主要起物理交联点的作用，通过限制纤维大分子链间的滑移，来实现纤维耐切割性能的提高，但是刀片在切割过程中，无机微粉更倾向于被刀刃挤到一边，而不是抵抗刀刃破坏，因此，耐切割性的改善程度有限。后者所用硬质组分表面光滑，与超高分子量聚乙烯纤维表面结合不佳，在纺丝和拉伸过程中容易脱落或拔出，影响耐切割性能。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种耐切割纤维、织物及其制备方法，该耐切割纤维无需包覆其他纤维，如金属丝、玻璃纤维等，其织物即可达到en3885级耐切割性能，同时在提高耐切割性能的同时，极大的改善织物的舒适性。

技术方案：本发明的纤维，在超高分子量聚乙烯(优选重均分子量为300万～700万，更优选400万～600万)的连续相中，引入无机颗粒和硬质(优选莫氏硬度不小于2，更优选莫氏硬度为4-8，特别是5.5-6)短纤维(优选选自无机短纤维和有机短纤维中的至少一种，更优选选自玻璃纤维、碳纤维、金属纤维和矿物纤维的至少一种)作为分散相，且至少一部分(优选10质量％以上，更优选30质量％以上，更优选50质量％以上，更优选60质量％以上，进一步优选80质量％以上，进一步优选95质量％以上)所述无机颗粒结合(优选附着)在所述硬质短纤维上(优选表面)，其中所述无机颗粒为平均粒径小于10μm(优选小于2μm，更优选100nm至1μm)的无机颗粒(优选硬质无机颗粒，更优选莫氏硬度不小于2(优选4-8，特别是5.5～6)的无机颗粒，更优选选自sio2、zro2、金刚石、al2o3、tio2、baso4或其任意组合的至少一种无机颗粒)。

本发明中，所述硬质短纤维的重量为所述超高分子量聚乙烯重量的1～15质量％(优选6～10质量％)，所述无机颗粒的含量为所述超高分子量聚乙烯重量的0.1～5质量％(优选1％～2质量％)。

本发明中，所述硬质短纤维的长度为30～1000μm，优选50～500μm，更优选

100～350μm。

本发明的纤维，其单丝纤度0.7～5dtex或者束丝纤度22～1776dtex，优选单丝纤度1.7～2.7dtex或者束丝纤度111～666dtex。

本发明的纤维，其截面选自圆形、规则对称形(如椭圆形、方形、十字形、8字形、四叶草形等)和不规则异形(如豆形、狗骨形、卵形、长扁形等)的至少一种，优选选自圆形、椭圆形、8字形、长扁形和豆形的至少一种。

所述硬质短纤维的直径至少为1μm(优选3～6μm)，长径比至少为5(优选25～50)。

本发明的织物(优选耐切割织物，比如手套、劳保用品、防护服装、背包、军用防切割面料或者民用防切割面料)，包含上述任意一条所述的纤维。

本发明纤维的制备方法，至少包括以下步骤：

(1a)将硬质短纤维与无机颗粒进行混合(优选干混)后，再与超高分子量聚乙烯粉末混合；

(2a)将所述混合物制成纤维，

优选包括以下步骤：

(1)将硬质短纤维与无机颗粒进行混合(优选干混)后，再与超高分子量聚乙烯粉末混合；

(2)将所述混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀(优选温度60～100℃、时间1～3h或者超高分子量聚乙烯粉末与纺丝溶剂质量比为1:10～40)，形成纺丝溶液；

(3)所述纺丝溶液经剪切挤出(优选随后经过滤器过滤，过滤器目数为10目～80目)，再经喷丝头挤出纺丝(优选喷丝头拉伸比为3～15)，所得细丝冷却(优选冷却温度为70～150℃，更优选为140～145℃，或者优选冷却时间为5～20s，优选16～17s)以形成凝胶细丝，将至少一部分(优选80质量％以上，更优选90质量％，更优选99质量％以上)所述纺丝溶剂从所述凝胶细丝中除去，在所述除去所述纺丝溶剂之前、期间和/或之后，包括至少一个拉伸步骤(优选拉伸温度为90～160℃，拉伸倍率为2～30)。

在步骤(2a)中，将所述混合物加热熔融(优选熔融温度为200℃～250℃)形成纺丝液，将所述纺丝液经喷丝头挤出(优选喷丝头拉伸比为3～10)，将所得细丝冷却(优选冷却温度为40-80℃，冷却时间为10～60min)以形成纤维，还包括在所述冷却期间和/或之后的至少一个拉伸步骤(优选拉伸温度为60～120℃或者拉伸倍率为15～80，更优选拉伸温度80～100℃或者拉伸倍率20～60)。

步骤(2)所用纺丝溶剂选自脂族烃、脂环族烃、矿物油、煤油和芳族烃中的至少一种。

步骤(3)纺丝溶剂通过蒸发和/或萃取的方式除去。

发明原理：硬质短纤维表面比较光滑，与超高分子量聚乙烯纤维表面结合不佳，在纺丝和拉伸过程中容易脱落或拔出，影响耐切割性能。加入的微纳米无机添加剂，干态共混，硬质短纤维表面吸附微纳米无机添加剂粒子，有效提高表面粗糙度，且表面电位升高，与超高分子量聚乙烯纤维界面结合力增强，明显改善纤维耐切割性能。

硬质短纤维莫氏硬度高于超高分子量聚乙烯纤维，本发明在超高分子量聚乙烯纤维连续相中引入硬质短纤维做分散相，成为局部增强点，在刀片切割过程中，大长径比的针状形态会抵抗刀刃进一步破坏纤维，同时阻止裂纹进步一扩展，从而实现纤维耐切割性大幅提高。

微纳米级无机添加剂粒子对超高分子量聚乙烯纤维有明显的增强增韧的作用，一是超高分子量聚乙烯纤维在拉伸过程中，微纳米级粒子的存在产生应力集中效应，激发周围基体产生银纹，同时粒子间的基体产生屈服，吸收一定变形功，从而产生增韧作用；二是微纳级米无机粒子的存在会使超高分子量聚乙烯纤维基体裂纹扩展受阻和钝化，起到物理交联点的作用，表现为纤维增强；三是微纳米级粒子的存在使超高分子量聚乙烯纤维的晶粒平均尺寸显著减小，有利于模量提高。超高分子量聚乙烯纤维最终表现为力学性能增强，对提高耐切割性能有益。

与包覆硬质长纤维(如包覆金属丝、玻纤等)不同，本发明中耐切割纤维中的硬质短纤维不连续，耐切割纤维断裂强度和初始模量虽有所降低，但相对于常规纺织品纤维(如棉、涤纶、尼龙等)，强度仍然具有优势，满足耐切割纺织品的使用需求，且模量的降低使防切割纺织品有更好的柔软手感和舒适性，从而使达到最佳的耐切割性与使用舒适性的平衡。

无机颗粒粒径测试方法取粉体0.1g于50g去离子水中进行超声分散10min，采用马尔文公司ms2000型激光粒度仪测试粉体粒径，取其粒径中值d(50)作为粉体的平均粒径。d(50)为10微米，指的是50％的粉体的粒径小于10微米，一般以此作为平均粒径。

有益效果：本发明所得纤维的断裂强度为15～40cn/dtex，将所制纤维编织成标准手套，进行en-388机械性伤害防护手套耐切割性能测试，耐切割指数>20，即达到耐切割5级。本发明所涉及耐切割纤维不仅适用于耐切割手套，还可以用在各类有耐切割需求的领域中，如用在肉类加工、金属加工、机械装配、木材加工、运动领域等方面的防护服，使人们免于被割伤，可制成手套、围裙、套袖、袖带、裤子、上衣等等。因为纤维在保证耐切割性能的同时，舒适性并无减退，不仅可以用于各类耐切割手套、外套服装，内衣使用也可满足。除此之外，还可以用于各类耐切割布，包括包装布、行李箱、商业装潢、运输行业、消防水管保护套等。

附图说明

图1为本发明硬质短纤维和无机颗粒结合状态微观形貌图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

对比例1

商品名为lylon○rly25超高分子量聚乙烯400d标准凝胶纺丝纤维，经氨纶弹力丝包覆，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。

对比例2

将占超高分子量聚乙烯粉末重量1％sio2粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，将部分纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备400d纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。sio2粉末粒径为200nm。

实施例1

将占超高分子量聚乙烯粉末重量3％的短玻纤与1％sio2粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合，聚乙烯粉末与溶剂质量比为1:10；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，溶胀温度为60℃，溶胀时长3h，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，喷丝头拉伸比为10，过滤器目数为10目，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，,纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备单丝纤度为2.5dtex纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。短玻纤长径比为50，直径为3μm，莫氏硬度为6，sio2粉末粒径为200nm。

实施例2

将占超高分子量聚乙烯粉末重量15％的短玄武岩纤维与5％zro2粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合，聚乙烯粉末与溶剂质量比为1:20；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，溶胀温度为80℃，溶胀时长1.5h，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，喷丝头拉伸比为3，过滤器目数为30目，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，,纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备单丝纤度为3dtex纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。短玄武岩纤维长径比为25，直径为3μm，莫氏硬度为5～7，zro2粉末粒径为2μm。

实施例3

将占超高分子量聚乙烯粉末重量6％的短碳纤维预氧丝与3％tio2粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合，聚乙烯粉末与溶剂质量比为1:40；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，溶胀温度为100℃，溶胀时长1h，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，喷丝头拉伸比为15，过滤器目数为80目，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，,纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备单丝纤度为0.7dtex纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。短碳纤维预氧丝长径比为50，直径为1μm，莫氏硬度为2，tio2粉末粒径为80nm。

实施例4

将占超高分子量聚乙烯粉末重量6％的短玻璃纤维与0.5％金刚石粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合，聚乙烯粉末与溶剂质量比为1:15；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，溶胀温度为100℃，溶胀时长1h，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，喷丝头拉伸比为8，过滤器目数为30目，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，,纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备单丝纤度为2.5dtex纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。短玻璃纤维长径比为40，直径为5μm，莫氏硬度为6，金刚石粉末粒径为1μm。

实施例5

将占超高分子量聚乙烯粉末重量10％的短玻璃纤维与1％sio2粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合，聚乙烯粉末与溶剂质量比为1:13；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，溶胀温度为90℃，溶胀时长1.5h，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，喷丝头拉伸比为5，过滤器目数为40目，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，,纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备单丝纤度为2.5dtex纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。短玻璃纤维长径比为80，直径为3μm，莫氏硬度为6，sio2粉末粒径为0.5μm。

实施例6

将占超高分子量聚乙烯粉末重量10％的短矿纤与1％al2o3粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合，聚乙烯粉末与溶剂质量比为1:15；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，溶胀温度为90℃，溶胀时长1.5h，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，喷丝头拉伸比为3，过滤器目数为40目，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，,纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备单丝纤度为5dtex纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。短矿纤长径比为20，直径为2μm，莫氏硬度为2～2.5，al2o3粉末粒径为80nm。

实施例7

将占超高分子量聚乙烯粉末重量9％的短玻璃纤维与1.8％tio2粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合，聚乙烯粉末与溶剂质量比为1:13；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，溶胀温度为90℃，溶胀时长1.5h，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，喷丝头拉伸比为5，过滤器目数为10目，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，,纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备单丝纤度为2.5dtex纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。短玻璃纤维长径比为40，直径为5μm，莫氏硬度为6，tio2粉末粒径为100nm。

实施例8

将占超高分子量聚乙烯粉末重量10％的短玻璃纤维与1.5％baso4粉末在高速混合机内干混，再与超高分子量聚乙烯粉末混合，聚乙烯粉末与溶剂质量比为1:13；将混合物置于纺丝溶剂中加热溶胀，溶胀温度为90℃，溶胀时长1.5h，形成纺丝溶液；纺丝溶液经双螺杆剪切挤出，经喷丝孔挤出纺丝，喷丝头拉伸比为5，过滤器目数为10目，所得细丝冷却以形成凝胶细丝，,纺丝溶剂从凝胶细丝中除去，在除去纺丝溶剂之前、期间或者之后，至少一个拉伸步骤，制备单丝纤度为2.5dtex纤维，在10针型手套织机上编织成手套，进行en388耐切割性能测试。短玻璃纤维长径比为40，直径为5μm，莫氏硬度为6，baso4粉末粒径为0.8μm。

将以上对比例与实施例得到的纤维数据列于下表1中：

表1耐切割性能及力学性能测试结果

以上实施例所制纤维为耐切割手套最常用规格，但不仅仅局限于此规格。