新型uhmwpe纖維和制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】新型UHMWPE纖維和制造方法
[0001]對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2012年7月27日提交的共同待審的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序號(hào)N0.61/676,409的權(quán)益，其公開(kāi)內(nèi)容全文經(jīng)此引用并入本文。
[0002]發(fā)明背景。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及制備超高分子量聚乙烯(“UHMW PE”)紗的方法、由其制成的紗和制品。
[0004]相關(guān)技術(shù)描述
由包含高強(qiáng)度合成纖維的復(fù)合材料制成的防彈制品是公知的。許多類(lèi)型的高強(qiáng)度纖維是已知的，且每種類(lèi)型的纖維具有其自身的獨(dú)特特征和性質(zhì)。就此而言，纖維的一個(gè)定義性特征是纖維與表面涂料，如樹(shù)脂涂料粘合或粘著的能力。例如，超高分子量聚乙烯纖維是天然惰性的，而芳族聚酰胺纖維具有含有極性官能團(tuán)的高能表面。相應(yīng)地，樹(shù)脂通常對(duì)芳族聚酰胺纖維表現(xiàn)出比對(duì)惰性UHMW PE纖維更強(qiáng)的親合力。但是，合成纖維也通常已知天然傾向于靜電積聚并因此通常要求施加纖維表面整理劑(finish)以利于進(jìn)一步加工成可用的復(fù)合材料。纖維整理劑用于降低靜電積聚，在無(wú)捻或非纏結(jié)纖維的情況中，有助于保持纖維內(nèi)聚力和防止纖維纏結(jié)。整理劑還潤(rùn)滑纖維表面，保護(hù)纖維免受設(shè)備破壞和保護(hù)設(shè)備免受纖維破壞。
[0005]本領(lǐng)域教導(dǎo)了用于多種工業(yè)的許多類(lèi)型的纖維表面整理劑。參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)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，它們教導(dǎo)了用于紡成纖維的紡絲整理劑組合物。但是，典型的纖維表面整理劑不是普遍合意的。一個(gè)重要原因是因?yàn)槔w維表面整理劑會(huì)干擾聚合粘合劑材料在纖維表面，包括芳族聚酰胺纖維表面上的界面粘結(jié)或粘合。聚合粘合劑材料的強(qiáng)粘合在防彈織物，尤其是非織造復(fù)合材料，如Honeywell Internat1nalInc.0f Morristown, NJ生產(chǎn)的非織造SPECTRA SHIELD?復(fù)合材料的制造中是重要的。聚合粘合劑材料在纖維表面上的粘合不足可能降低纖維-纖維粘合強(qiáng)度和纖維-粘合劑粘合強(qiáng)度并由此使結(jié)合的纖維互相分離和/或使粘合劑從纖維表面上層離。在嘗試將保護(hù)性聚合組合物施加到機(jī)織物上時(shí)也認(rèn)識(shí)到類(lèi)似的粘合問(wèn)題。這有害地影響此類(lèi)復(fù)合材料的防彈性質(zhì)(防彈性能)并可以造成災(zāi)難性的產(chǎn)品失效。
[0006]從共同待審的申請(qǐng)序號(hào)61/531，233; 61/531, 255; 61/531, 268; 61/531, 302;61/531，323; 61/566，295和61/566，320 (其每一個(gè)經(jīng)此引用并入本文)已知，當(dāng)施加材料直接與纖維表面粘合而非施加在纖維整理劑之上時(shí)，其在纖維上的粘合強(qiáng)度提高。此直接施加能夠通過(guò)在纖維上施加此材料，例如聚合粘合劑材料前和在將纖維結(jié)合為纖維層或織物前至少?gòu)睦w維部分脫除預(yù)存在的纖維表面整理劑實(shí)現(xiàn)。
[0007]從上述共同待審的申請(qǐng)還已知，可以用各種表面處理，例如等離子體處理或電暈處理來(lái)處理纖維表面，以提高纖維表面處的表面能并由此提高材料粘合到纖維表面的能力。所述表面處理當(dāng)直接實(shí)施在暴露的纖維表面上而非纖維整理劑之上時(shí)是特別有效的。結(jié)合的整理劑脫除和表面處理減低了當(dāng)用于防彈復(fù)合材料中時(shí)纖維彼此層離和/或從纖維表面涂層層離的趨勢(shì)。但是，已知這些表面處理的效果是具有貯藏壽命。隨著時(shí)間推移，附加的表面能衰減且處理的表面最終返回到其最初的達(dá)因水平。當(dāng)處理的纖維不是立即制成復(fù)合材料而是貯藏用于將來(lái)的用途時(shí)，這種處理的衰減是特別明顯的。因此，在本領(lǐng)域中存在保存表面處理并由此提高經(jīng)處理纖維的貯藏壽命的方法的需要。
[0008]發(fā)明概述
本發(fā)明提供了一種方法，該方法包括:
a)提供一根或多根部分定向的纖維，所述部分定向纖維的每一根具有基本被纖維表面整理劑覆蓋的表面；
b)從所述纖維表面脫除至少一部分的纖維表面整理劑以至少部分暴露出下面的纖維表面；
c)在有效提高所述纖維表面的表面能的條件下處理所述暴露的纖維表面；
d)將保護(hù)性涂料施加到至少一部分的經(jīng)處理纖維表面上以由此形成涂布的、經(jīng)處理的纖維；和
e)使該涂布的、經(jīng)處理的纖維通過(guò)一個(gè)或多個(gè)干燥器以將該涂布的、經(jīng)處理的纖維上的涂料干燥，同時(shí)在該涂布的、經(jīng)處理的纖維通過(guò)所述一個(gè)或多個(gè)干燥器時(shí)拉伸它們，由此形成具有大于27克/旦的韌度的高定向纖維。
[0009]本發(fā)明還提供一種方法，該方法包括:
a)提供一根或多根部分定向的纖維，所述部分定向纖維的每一根具有至少部分暴露的表面區(qū)域，所述表面區(qū)域至少部分不具有纖維表面整理劑；
b)在有效提高所述纖維表面的表面能的條件下處理該暴露的纖維表面；
c)將保護(hù)性涂料施加到至少一部分的經(jīng)處理纖維表面上以由此形成涂布的、經(jīng)處理的纖維；和
d)使該涂布的、經(jīng)處理的纖維通過(guò)一個(gè)或多個(gè)干燥器以將該涂布的、經(jīng)處理的纖維上的涂料干燥，同時(shí)在該涂布的、經(jīng)處理的纖維通過(guò)所述一個(gè)或多個(gè)干燥器時(shí)拉伸它們，由此形成具有大于27克/旦的韌度的高定向纖維。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種方法，該方法包括:
a)提供一根或多根經(jīng)處理的部分定向的纖維，其中所述部分定向的纖維具有至少大約18克/旦最高至大約27克/旦的韌度，和其中所述經(jīng)處理的部分定向的纖維的表面在有效提高所述纖維表面的表面能的條件下進(jìn)行處理；
b)將保護(hù)性涂料施加到至少一部分的經(jīng)處理纖維表面上以由此形成涂布的、經(jīng)處理的纖維，其中在提高所述纖維表面的表面能的處理后立即將所述保護(hù)性涂料施加到該經(jīng)處理的纖維表面上；和
c)使該涂布的、經(jīng)處理的纖維通過(guò)一個(gè)或多個(gè)干燥器以將該涂布的、經(jīng)處理的纖維上的涂料干燥，同時(shí)在該涂布的、經(jīng)處理的纖維通過(guò)所述一個(gè)或多個(gè)干燥器時(shí)拉伸它們，由此形成具有大于27克/旦的韌度的高定向纖維。
[0011]還提供由所述方法制成的纖維復(fù)合材料。
[0012]附圖的簡(jiǎn)要描述
圖1圖解了使用并入一系列水平布置的爐的加熱裝置(爐外部具有拉伸輥)的后拉伸工藝的實(shí)施例。
[0013]圖2圖解了使用并入具有內(nèi)部拉伸輥的單個(gè)爐的加熱裝置的后拉伸工藝的實(shí)施例。
[0014]發(fā)明詳述
提供處理和涂布部分定向纖維的方法，所述纖維隨后拉伸以制造高定向的纖維。如在本文中所用，“部分定向”纖維，或稱(chēng)作部分定向紗，是已經(jīng)經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)拉伸步驟的纖維(或紗)，所述拉伸步驟導(dǎo)致具有至少大約18克/旦最高至大約27克/旦的韌度的纖維的制造。在共同擁有的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2011/0266710和2011/0269359 (其在同此一致的程度上經(jīng)引用并入本文)中，描述了由部分定向纖維制造高定向纖維的合意方法。如在所述公開(kāi)中描述的，“部分定向”纖維(或“部分定向紗”)與“高定向”纖維(紗)的區(qū)別在于高定向纖維是由部分定向纖維制成的，使該部分定向纖維經(jīng)歷后-拉伸操作以由此提高其纖維韌度。在本發(fā)明的背景中，高定向纖維(紗)具有高于27克/旦的纖維韌度。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“韌度”是指以無(wú)應(yīng)力試樣的力(克)/單位線性密度(旦)表示的拉伸應(yīng)力并通過(guò)ASTMD2256測(cè)量。纖維的“初始模量”是代表其抗形變性的材料性質(zhì)。術(shù)語(yǔ)“拉伸模量”是指以克-力/旦(g/d)表示的韌度變化與以原始纖維長(zhǎng)度的分?jǐn)?shù)(in/in)表示的應(yīng)變變化的比率。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，提供方法，其中首先處理部分定向的纖維以從該纖維表面脫除至少一部分纖維表面整理劑以至少部分暴露出下面的纖維表面，接著在有效提高纖維表面的表面能的條件下處理該暴露的纖維表面，接著將該處理的纖維涂布以保護(hù)性涂料。在施加保護(hù)性涂料后，使該涂布的、經(jīng)處理的纖維經(jīng)歷后-拉伸操作，其中在干燥保護(hù)性涂料的同時(shí)拉伸纖維以形成高定向的纖維。
[0016]為進(jìn)一步限定本發(fā)明，“纖維”是長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)大于寬度和厚度的橫向尺寸的細(xì)長(zhǎng)體。用于本發(fā)明的纖維的橫截面可千差萬(wàn)別，它們的橫截面可以是圓形、扁平或橢圓形。因此術(shù)語(yǔ)“纖維”包括具有規(guī)則或不規(guī)則橫截面的絲、帶、條等，但該纖維優(yōu)選具有基本圓形橫截面。本文所用的術(shù)語(yǔ)“紗”定義為由許多纖維構(gòu)成的單束。單纖維可以由僅一根絲形成或由多根絲形成。由僅一根絲形成的纖維在本文中被稱(chēng)作“單一絲”纖維(“單絲”纖維)，由多根絲形成的纖維在本文中被稱(chēng)作“復(fù)絲”纖維。
[0017]通常對(duì)所有纖維施加纖維表面整理劑以促進(jìn)其加工性。為允許纖維表面的直接等離子體或電暈處理，存在的纖維表面整理劑需要至少部分從纖維表面脫除，優(yōu)選從將形成纖維復(fù)合材料的部分或全部組分纖維的全部或部分纖維表面基本完全脫除。纖維整理劑的這種脫除還將用于增強(qiáng)纖維-纖維摩擦和允許樹(shù)脂或聚合粘合劑材料直接粘合到纖維表面上，由此提高纖維-涂料粘合強(qiáng)度。
[0018]洗滌纖維或以其它方式除去纖維整理劑的步驟除去足夠的纖維整理劑以暴露出至少一部分下方纖維表面，盡管應(yīng)該期望不同的脫除條件脫除不同量的整理劑。例如，洗滌劑的組成(例如水)、洗滌技術(shù)的機(jī)械屬性(例如水接觸纖維的力；洗滌浴的攪動(dòng)等)之類(lèi)的因素會(huì)影響除去的整理劑的量。對(duì)本文目的而言，用于實(shí)現(xiàn)纖維整理劑的最低限度脫除的最低限度加工通常暴露出至少10%的纖維表面積。優(yōu)選除去纖維表面整理劑以使纖維主要不含纖維表面整理劑。本文所用的“主要不含”纖維表面整理劑的纖維是已除去其整理劑的至少50重量％，更優(yōu)選除去其整理劑的至少大約75重量％的纖維。其甚至更優(yōu)選基本不含纖維表面整理劑的纖維?！盎静缓崩w維整理劑的纖維是已除去其整理劑的至少大約90重量％，最優(yōu)選已除去其整理劑的至少大約95重量％的纖維，由此暴露出至少大約90%或至少大約95%的之前被纖維表面整理劑覆蓋的纖維表面積。最優(yōu)選地，任何殘留整理劑會(huì)以占纖維重量+整理劑重量的小于或等于大約0.5重量％，優(yōu)選小于或等于大約0.4重量％，更優(yōu)選小于或等于大約0.3重量％，更優(yōu)選小于或等于大約0.2重量％，最優(yōu)選占纖維重量+整理劑重量的小于或等于大約0.1重量％的量存在。
[0019]根據(jù)纖維整理劑組合物的表面張力，整理劑可能表現(xiàn)出在纖維表面上自分布的傾向，即使除去顯著量的整理劑。因此，主要不含纖維表面整理劑的纖維可能仍有一部分表面區(qū)域被纖維整理劑的極薄涂層覆蓋。但是，這種殘留纖維整理劑通常會(huì)作為整理劑的殘留斑塊而非連續(xù)涂層存在。相應(yīng)地，具有主要不含纖維表面整理劑的表面的纖維優(yōu)選具有至少部分暴露出來(lái)并且未被纖維整理劑覆蓋的其表面，其中優(yōu)選小于50%的纖維表面區(qū)域被纖維表面整理劑覆蓋。如果纖維整理劑的脫除導(dǎo)致小于50%的纖維表面區(qū)域被纖維表面整理劑覆蓋，保護(hù)性涂料材料由此將與大于50%的纖維表面區(qū)域直接接觸。
[0020]最優(yōu)選地，從纖維上基本完全除去纖維表面整理劑并基本完全暴露出纖維表面。在這方面，基本完全除去纖維表面整理劑是除去至少大約95%，更優(yōu)選至少大約97.5%，最優(yōu)選除去至少大約99