一种用于防护产品的非等径UHMWPE纤维混合纱、其制备方法及防护产品与流程

一种用于防护产品的非等径uhmwpe纤维混合纱、其制备方法及防护产品
技术领域
1.本发明属于耐切割材料技术领域，具体涉及一种用于防护产品的非等径uhmwpe纤维混合纱、其制备方法及防护产品。


背景技术：

2.耐切割纱线主要用于制备耐切割、耐穿透和耐刺穿的织物；此类织物可用于为下列人群制造防护服：工作中接触磨料或尖锐物体的各行业工人，以及需要防护穿刺性器具及抛射物的警察和军事人员。
3.现有技术中，耐切割纱线可以由合成纤维、玻璃纤维以及各种矿物纤维、金属纤维等其中的一种构成或多种成分构成。用于耐切割纱线的合成纤维主要是高强度高模量的化学纤维，例如超高分子量聚乙烯纤维(简称uhmwpe纤维)、芳纶纤维等。其中，uhmwpe纤维通常是相对分子量在100万以上的聚乙烯依次经过纺丝、萃取、干燥和超倍拉伸制成。对于多种纤维成分，通常采用纺纱、包覆等方式制成耐切割纱线。
4.耐切割纱线通常采用针织的方式来生产具有防割功能的防护织物产品，如：针织的防割手套等。目前，现有uhmwpe耐切割纱线的耐切割性能仍有待进一步提高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种用于防护产品的非等径uhmwpe纤维混合纱、其制备方法及防护产品，本发明提供的uhmwpe纤维混合纱具有更加优异的耐切割性，利于在防护产品中的应用。
6.本发明提供了一种用于防护产品的非等径uhmwpe纤维混合纱，其至少由两种不同直径的第一uhmwpe纤维、第二uhmwpe纤维组成，所述第一uhmwpe纤维和第二uhmwpe纤维共同为长丝或短纤；所述第一uhmwpe纤维的直径小于第二uhmwpe纤维，所述第一uhmwpe纤维的直径大于第二uhmwpe纤维堆积时形成空隙所能容纳纤维的最大直径，并且不超过第二uhmwpe纤维直径的0.8倍。
7.本发明所述的非等径uhmwpe纤维混合纱，指在通过将具有不同单丝直径的uhmwpe长丝或短纤混纺在一起，形成的同时包含不同直径单丝的uhmwpe混合纱(线)，该纱线由两种或两种以上不同单丝直径的uhmwpe长丝或短纤共同组成，较小直径纤维记为第一uhmwpe纤维，其直径要大于较大直径纤维(记为第二uhmwpe纤维)堆积时形成空隙所能容纳纤维的最大直径，并且不超过较大直径纤维直径的0.8倍。所述的堆积是作简单立方堆积和紧密堆积；受外力切割时，本发明中不同直径纤维彼此间更易发生移动并快速达到相对紧密的堆积状态。本发明中不同单丝直径的uhmwpe长丝或短纤混合纱受外力切割时，不同直径纤维相对于彼此更易发生移动可以消散部分攻击力，纱线快速达到相对紧密的堆积状态来提供更多的材料来抵抗攻击力，该纱线与只包含单一纤度的纱线相比，表现出更加优异的耐切割性和穿着舒适性。
8.纤度表示天然丝或化学纤维粗细的程度；纤度(d)
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又称"旦数"或(旦尼尔:denier)，是指在公定回潮率下，9000米纱线或纤维所具有重量的克数。比如，9000米长的纤维重量为一克时，称为1d。纤维愈细，纤度愈小。uhmwpe纤维单丝呈圆柱形，因此它的粗细可以用直径来表示，单根uhmwpe纤维的直径为单丝直径。
9.uhmwpe纤维通常是相对分子量在100万以上的聚乙烯依次经过纺丝、萃取、干燥和超倍拉伸制成。在本技术中，uhmwpe纤维可以是长丝，也可以是短纤；长丝是纺丝直接得到的连续纤维，短纤通常是由长丝切断制成的长度较短的短纤维。所述第一uhmwpe纤维和第二uhmwpe纤维共同为长丝，或者都是短纤。
10.在本发明的实施例中，所述混合纱中较小直径纤维的直径大于较大直径纤维直径的0.52倍，并且不超过较大直径纤维直径的0.75倍。所述混合纱中uhmwpe长丝或短纤(包括第一uhmwpe纤维、第二uhmwpe纤维)的纤维直径在5-50μm之间，优选在10-30μm之间；所述第二uhmwpe纤维的直径在20μm以上，优选在35μm以上，更优选45μm以上，例如直径为21-25μm，或46-50μm等。
11.在本技术的一些实施例中，所述混合纱由两种不同直径的uhmwpe纤维组成，较大直径纤维的直径可为23μm，较小直径纤维直径在15-17μm之间。另一些实施例中，所述混合纱由三种不同直径的uhmwpe纤维组成，纤维直径依次可为13μm、16μm、23μm。
12.本发明实施例所述的混合纱中，不同直径的uhmwpe长丝或短纤的强度为30cn/dtex以上，优选为35cn/dtex以上；模量为1000cn/dtex以上，优选为1200cn/dtex以上。
13.进一步地，所述混合纱中较大直径的uhmwpe长丝或短纤含有莫氏硬度大于3.5的硬质微纤，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、石墨烯纤维等。
14.为了得到上述uhmwpe混合纱线，本发明实施例所采用的纱线制备方法具体包括以下三种：
15.(1)将两种或两种以上不同单丝直径的uhmwpe短纤按比例充分混合均匀，然后用梳理机进行梳理，使短纤混合物形成长条，再经过精梳、并条、粗纱、细纱等工序，得到一种同时包含两种或两种以上不同直径单丝的uhmwpe短纤混合纱。
16.(2)将两种或两种以上具有不同单丝直径的uhmwpe长丝，以纤维束或连续长丝的形式按比例并股、混合，得到一种同时包含两种或两种以上不同直径单丝的uhmwpe长丝混合纱。
17.(3)使用具有两种或两种以上不同孔径喷丝孔的特制喷丝板，通过直接纺丝，制备一种同时包含两种或两种以上不同直径单丝的uhmwpe长丝混合纱。
18.制备方法(1)中，是将两种或两种以上不同单丝直径的uhmwpe短纤按比例充分混合均匀，然后用梳理机使短纤混合物形成长条，再经过精梳、并条、粗纱、细纱、后加工等工序得到所述的混合纱。其具体操作是：首先按选配的比例取出具有不同单丝直径的uhmwpe短纤，混和均匀后，用开松机初步进行开松、除杂并混合，再用梳理机把短纤混合物用针齿表面分梳成为单纤维状态，集束成条并输送成松散组合纤维的连续股，俗称生条，把生条经牵伸并合制成小卷，再把小卷喂入精梳机，利用不同的针排分别对纤维的两端进行梳理，除去短纤维和杂质，制成精梳条，把精梳条并列喂入并条机，并条制得的棉条，俗称熟条，然后用普通纺纱技术将熟条制成短纤纱，再经过后处理，即得到所述混合纱。
19.所述混合纱中uhmwpe短纤的强度均优选为30cn/dtex以上，优选为35cn/dtex以
上；模量为1000cn/dtex以上，优选为1200cn/dtex以上；断裂伸长率为1.5-6％，优选为2-4％；短纤长度为20-200mm，优选为35-60mm；纤维直径为5-50μm，优选为10-30μm。所述的不同单丝直径uhmwpe短纤中较小直径纤维的直径要大于较大直径纤维堆积时(作简单立方堆积和紧密堆积)形成空隙所能容纳纤维的最大直径，并且不超过较大直径纤维直径的0.8倍。优选的是，该混合纱中较小直径纤维的直径大于较大直径纤维直径的0.65倍，并且不超过较大直径纤维直径的0.75倍。
20.在一个优选的实施方案中，该混合纱由两种不同单丝直径的uhmwpe短纤构成，纱中20-60％(按数量计)由较高单丝直径的uhmwpe短纤构成，而纱中40-80％(按数量计)由较低单丝直径的uhmwpe短纤构成。更优选地，纱中45-55％(按数量计)由较高单丝直径的短纤构成，而纱中长丝的45-55％(按数量计)由较低单丝直径的短纤构成。所述的按数量计是计数纤维根数，例如400d/158f长丝中，较大单丝直径的有66f，较小单丝直径的纤维82f；短纤维也一样，是计数不同直径短纤维的数量比例。
21.在另一个优选的实施方案中，该混合纱由三种不同单丝直径的uhmwpe短纤构成，纱中15-35％(按数量计)由最大单丝直径的uhmwpe短构成，纱中30-45％(按数量计)由中等单丝直径的uhmwpe短纤构成，而纱中30-45％(按数量计)由最小单丝直径的uhmwpe短纤构成。其中，最小单丝直径的uhmwpe短纤不超过中等单丝直径的uhmwpe短纤直径的0.8倍。
22.所述混合纱中较大直径的uhmwpe长丝或短纤均可含有莫氏硬度大于3.5的硬质微纤，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、石墨烯纤维等。具体地，可通过冻胶纺丝添加莫氏硬度大于3.5的硬质微纤的填料，冻胶纺丝法为行业公知方法。
23.本发明实施例上述的制备内容(2)中，是首先选取两种或两种以上单一单丝纤度的uhmwpe长丝，然后将其以纤维束或连续长丝的形式按比例并股、混合，即得到所述的混合纱。
24.所述混合纱中uhmwpe长丝的强度均优选为30cn/dtex以上，优选为35cn/dtex以上；模量为1000cn/dtex以上，优选为1200cn/dtex以上；断裂伸长率为1.5-6％，优选为2-4％；纤维直径为5-50μm，优选为10-30μm。所述的不同单丝直径uhmwpe长丝中较小直径纤维的直径要大于较大直径纤维堆积时(作简单立方堆积和紧密堆积)形成空隙所能容纳纤维的最大直径，并且不超过较大直径纤维直径的0.8倍。优选的是，混合纱中较小直径纤维的直径大于较大直径纤维直径的0.65倍，并且不超过较大直径纤维直径的0.75倍。
25.在一个优选的实施方案中，该混合纱由两种不同单丝直径的uhmwpe长丝构成，纱中20-60％(按数量计)由较高单丝直径的uhmwpe长丝构成，而纱中40-80％(按数量计)由较低单丝直径的uhmwpe长丝构成。更优选地，纱中45-55％(按数量计)由较高单丝直径的uhmwpe长丝构成，而纱中长丝的45-55％(按数量计)由较低单丝直径的uhmwpe长丝构成。
26.在另一个优选的实施方案中，混合纱由三种不同单丝直径的uhmwpe长丝构成，纱中15-35％(按数量计)由最大单丝直径的uhmwpe长丝构成，纱中30-45％(按数量计)由中等单丝直径的uhmwpe长丝构成，而纱中30-45％(按数量计)由最小单丝直径的uhmwpe长丝构成。
27.所述混合纱中较大直径的uhmwpe长丝或短纤含有莫氏硬度大于3.5的硬质微纤，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、石墨烯纤维等。
28.虽然不同单丝直径的uhmwpe混合纱线，可通过上述制备内容(1)和(2)中的不同单
丝直径的uhmwpe长丝或短纤的离线组合来制备，也就是在纺丝后组合不同单丝直径的uhmwpe长丝或短纤，但使用具有不同孔径喷丝孔的特制喷丝板，通过直接纺丝制备具有不同单丝直径的连续长丝混合纱是优选的，其中，纱线中uhmwpe长丝具有两种或两种以上不同的单丝纤度。即，离线组合与直接纺丝相比是次优选的。所述的直接纺丝过程无需后期将不同单丝直径的纤维按比例合股，方法简便、高效。
29.此外，通过特制的喷丝板纺制的uhmwpe连续长丝混合纱(具有两种或两种以上不同的单丝直径)也可被切成短纤维，用于纺制上述制备内容(1)中的短纤混合纱。
30.本发明实施例上述制备内容(3)，就是通过使用具有两种或两种以上不同孔径喷丝孔的特制喷丝板，通过直接纺丝制备具有非等径uhmwpe长丝的混合纱。其中，纱线中uhmwpe长丝具有两种或两种以上不同的单丝直径。这里所述的纺丝可以是冻胶纺丝，或凝胶纺丝。冻胶纺丝为行业公知的纺丝方法，可将uhmwpe原料与白油按一定比例混合，通过双螺杆挤出机溶解挤出纺丝，再经过萃取、干燥、高倍热牵得到uhmwpe纤维；本技术对牵伸等工艺条件没有特殊限定。
31.在本发明的实施例中，所述uhmwpe长丝混合纱线的断裂强度为30cn/dtex以上，优选为35cn/dtex以上；模量为1000cn/dtex以上，优选为1200cn/dtex以上；断裂伸长率为1.5-6％，优选为2-4％。
32.本发明实施例所述的特制喷丝板中，同时包含两种或两种以上不同孔径的喷丝孔，且不同孔径的喷丝孔具有一定的数量比例，较小孔径的喷丝孔将产生较小直径的长丝，而较大孔径的喷丝孔将产生较大直径的长丝；所述特制喷丝板中喷丝孔的截面为圆形截面，圆形孔将生成圆形横截面纤维，圆形横截面可最大化纤维相对于彼此的移动，从而最大化耐切割性。圆形横截面还可最大化堆积密度，这同样有利于提高耐切割性。
33.在本发明的实施例中，所述的喷丝板中较大孔径的喷丝孔相对于较小孔径的喷丝孔的排列不是特别重要，然而有利的是使较小直径的纤维夹在较大直径的纤维之间，因为这将最大化纤维相对于彼此的滚动。一种优选的排列是，该喷丝板中的孔以同心圆的形式排列，整体上形成大的圆形孔阵列；阵列中心附近的孔为较小直径的孔，而阵列外围附近的那些孔则为较大直径的孔，这样较细的长丝被挤在较粗的长丝之间，从加工期间的离析和稳定性方面来说，通过这种方式可提供非常稳定的纱线。
34.在一个优选的实施方案中，要制备具有两种不同单丝直径的uhmwpe长丝的混合纱，较小喷丝孔的直径为0.35-1.0mm，更优选为0.4-0.8mm，而较大喷丝孔的直径为0.8-1.5mm，更优选为0.8-1.2mm。其中，较大喷丝孔与较小喷丝孔之间的直径比为1.25-2.4，优选为1.28-1.92，更优选为1.3-1.5。通过使用该特制喷丝板直接纺丝制备具有不同单丝直径的uhmwpe连续长丝混合纱线，纱线中uhmwpe长丝直径为5-40μm，优选为10-30μm。优选的是较小单丝直径长丝的平均直径的范围为10-20μm，较大单丝直径长丝的平均直径的范围为15-30μm。纱线中20-60％(按数量计)由较大单丝直径的uhmwpe长丝构成，而纱中40-80％(按数量计)由较小单丝直径的uhmwpe长丝构成。更优选地，纱中45-55％(按数量计)由较大单丝直径的unmwpe长丝构成，而纱中长丝的45-55％(按数量计)由较小单丝直径的uhmwpe长丝构成。由于是通过同一喷丝板挤出，相同的纺丝牵伸工艺，本发明实施例中纤维的单丝直径基本由喷丝孔的孔径所决定，而对其他操作工艺没有特殊限定。
35.在另一个优选的实施方案中，要制备具有三种不同单丝直径的uhmwpe连续长丝混
合纱线，最小喷丝孔的直径为0.35-0.8mm，中等喷丝孔的直径为0.4-1.0mm，而最大喷丝孔的直径为0.8-1.5mm。优选地，最小：中等：最大的平均直径的比为2:3:4。通过使用该特制喷丝板直接纺丝制备具有不同单丝直径的uhmwpe连续长丝混杂纱线，纱中uhmwpe长丝直径为5-40μm，优选为10-30μm。优选的是最小单丝直径uhmwpe长丝的平均直径的范围为10-15μm，中等单丝直径uhmwpe长丝的平均直径的范围为16-23m，而最大单丝直径的uhmwpe长丝的平均直径的范围为20-30μm。在这种情况下，所述混合纱中三种不同单丝直径的uhmwpe连续长丝之间的单丝纤度的差值为1d或更大,优选为1.5d或更大。该混合纱中15-35％(按数量计)由最大单丝直径的uhmwpe长丝构成，纱中30-45％(按数量计)由中等单丝直径的uhmwpe长丝构成，而纱中30-45％(按数量计)由最小单丝直径的uhmwpe长丝构成。
36.在本发明的一些实施例中，所述非直径uhmwpe混合纱的总纤度可为400d，也可为200d、600d等耐切割领域的主要规格。本发明所述的混合纱具有优于常规单一单丝直径的uhmwpe纱线的耐切割性，也就是说，通过使用更少量的不同单丝直径的uhmwpe长丝或短纤组成混合纱，可获得与单一单丝直径uhmwpe纱线相同的耐切割性。在上述实施方案中，通过不同单丝直径uhmwpe纤维的共同组合，使得混合纱线中不同单丝直径的uhmwpe纤维相对于彼此沿切向更易产生滚动或滑动，从而消散攻击力；同时可减小混杂纱线中纤维之间的摩擦，从而为由此类纱制成的织物提供更多的纤维特性、更佳的手感和改进的柔韧性，即使混杂纱线中使用了大量纤度相对更大的纤维，也能提供优异的手感和柔韧性。本发明仅仅从纱线材料本身着手，通过简单有效的组合手段提高了纱线的耐切割性能。
37.此外，由本发明混合纱线中纤维的堆积度增加，从而提供更多的材料来抵抗攻击力，最大可能堆积密度优选为80-95％，更优选为90-95％，其中堆积密度受到混合纱中纤维的单丝纤度(纤维直径)以及不同单丝纤度纤维所占数量的比率影响。
38.本发明通过不同单丝直径的uhmwpe长丝或短纤的共同组合，不仅改善了纱线的耐切割性、也提供改进的耐磨损性和柔韧性，这些性能在应用中转化成改进的耐用性和舒适性，适用于制备具有优异的舒适度特性的耐切割、耐磨和耐穿透织物。
39.即，本发明实施例可提供一种防护产品，例如防割手套等，由前文所述的非等径uhmwpe纤维混合纱按照针织方式制成。
具体实施方式
40.下面通过实施例进一步描述发明的实施方式，但本发明的范围不只限制于此，所给出的这些实施案例仅仅是说明性的，不可理解为是对本发明的限制。本领域的专业技术人员根据发明的内容，对发明做出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
41.以下实施例中，uhmwpe纤维不含硬质纤维；纤维强度等根据gb/t 19975测得。
42.对比例1-3及实施例1-4
43.在下列实施例1-4中，使用基于不同单丝直径的uhmwpe短纤的共混物，通过纺纱，将其制成同时包含两种或三种不同单丝直径的uhmwpe短纤的混合纱，得到的短纤混合纱的纤度约为400d。
44.这里选取的三种uhmwpe短纤的长度均为50mm，强度为32cn/dtex，模量为1100cn/dtex，断裂伸长率为3％，单丝纤度分别为13μm、16μm、23μm。将上述不同单丝直径的uhmwpe短纤按比例充分混合均匀，然后用梳理机使短纤混合物形成长条，再经过精梳、并条、粗纱、
细纱等工序，得到uhmwpe短纤混合纱。
45.然后，采用相同的编织工艺将上述纱线织成面密度约为11.8oz/yd2(400g/m2)的织物样本，并进行耐割性能测试试验法测定织物的耐割性(耐割性按ashland防切割性能(cut protection performance，缩写为“cpp")，试验法参见专利cn1092254c，以下测试相同)。
46.混合纱线中不同单丝直径的uhmwpe短纤的数量比例及耐切割测试结果如表1所示。从表1可见，由不同单丝直径的uhmwpe短纤组成的非等径混合纱线制成织物，与单一单丝直径的uhmwpe短纤组成的混合纱线制成织物相比，耐割性能有明显的改善，并具有优异的手感。
47.此外，直径比例不在本技术范围内，纱线受力时不容易产生相对滑移动来消除部分攻击力，达不到显著提高耐切割的目的。
48.表1实施例1-4不同单丝直径的uhmwpe短纤的数量比例及耐切割测试结果
[0049][0050]-osy是织物的面密度，以oz/yd2计。
[0051]-cpp是按ashland cpp试验方法测定的cpp值。
[0052]-cpp/osy是cpp值与面密度(osy)的比值。
[0053]
对比例4-8及实施例5-10
[0054]
在下列实施例5-10中，使用基于不同单丝直径的uhmwpe长丝，以连续长丝的形式按特定比例采用平行并股方式，得到同时包含两种或三种不同单丝直径的uhmwpe长丝的非等径混合纱，得到的非等径混合纱线的总纤度约为400d。
[0055]
这里选取的三种uhmwpe长丝强度为32cn/dtex，模量为1100cn/dtex；断裂伸长率为3％，单丝直径分别为12μm、16μm、23μm、35μm。然后，采用相同的编织工艺将上述纱线织成面密度为约11.8oz/yd2(400g/m2)的织物样本，并进行耐割性能测试。
[0056]
混合纱线中不同单丝直径的uhmwpe长丝的数量比例及耐切割测试结果如表2所示。从表2可见，得到的由不同单丝直径的uhmwpe长丝组成的非等径纱线制成织物，与单一单丝直径的uhmwpe长丝组成的纱线制成织物相比，当满足本发明要求时，耐割性能都有明显的改善，同时兼具有优异的柔性手感和舒适度。
[0057]
表2实施例5-10不同单丝直径的uhmwpe长丝的数量比例及耐切割测试结果
[0058][0059]-osy是织物的面密度，以oz/yd2计。
[0060]-cpp是按ashland cpp试验方法测定的cpp值。
[0061]-cpp/osy是cpp值与面密度(osy)的比值。
[0062]
对比例9-11及实施例11-15
[0063]
在下列实施例11-15中，使用具有两种或三种不同孔径喷丝孔的特制喷丝板(喷丝孔径及各孔径所占比例见表3)，通过冻胶纺丝法，将uhmwpe原料与白油按10：90质量比例混合，通过双螺杆挤出机溶解，通过特制喷丝板挤出纺丝，再经过萃取、干燥、高倍热牵等环节，得到同时包含两种或三种不同单丝直径的uhmwpe长丝的非等径uhmwpe混合纱线，得到的非等径混合纱线总纤度约为400d，强度约为32cn/dtex，模量约为1100cn/dtex；断裂伸长率约为3％。
[0064]
然后，采用相同的编织工艺将上述纱线织成面密度为约11.8oz/yd2(400g/m2)的织物样本，并进行耐割性能测试。
[0065]
由特制喷丝板生产的非等径uhmwpe混合纱线耐切割测试结果如表3所示。从表3可见，通过上述方法得到的具有不同单丝直径的uhmwpe长丝的非等径纱线制成织物与具有单一单丝直径的uhmwpe长丝的纱线制成织物相比，耐割性能有明显的改善。
[0066]
表3实施例11-15由特制喷丝板生产的非等径uhmwpe混合纱线耐切割测试结果
[0067][0068]-osy是织物的面密度，以oz/yd2计。
[0069]-cpp是按ashland cpp试验方法测定的cpp值。
[0070]-cpp/osy是cpp值与面密度(osy)的比值。
[0071]
综上所述，本发明公开了一种用于防护产品的非等径uhmwpe纤维混合纱，其通过将两种或两种以上不同单丝直径的uhmwpe长丝或短纤共同组合，得到一种同时包含两种或两种以上不同单丝直径的uhmwpe长丝或短纤的混合纱。本发明该混合纱具有明显优于只含有单一单丝直径的uhmwpe纱线的耐切割性，由此纱制成的织物还可提供更佳的手感和柔韧性，适用于制备具有优异舒适性的耐切割、耐磨、耐穿透和耐穿刺产品。
[0072]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。