超高分子量聚乙烯纤维的结构与性能

超高分子量聚乙烯纤维的结构与性能
何正洋;潘志娟
【摘要】超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是上世纪80年代开发出的一种新型高性能纤维.与其它纤维相比,UHMWPE纤维具有密度小、强度高、模量高、耐切割、耐腐蚀、耐化学药剂等特点,被广泛应用在绳索、防弹衣、航空航天等领域.本文测定与分析了不同规格UHMWPE纤维的结构与性能,结果表明:UHMWPE纤维的结晶度较高,在60％以上;在145℃会发生熔融,当温度到达500℃时,纤维会完全分解;单纤维的断裂伸长率在5％左右,断裂强度可达30 cN/dtex,初始模量可达800 cN/dtex;纤维在受到恒定外力作用时,很容易发生变形,抗蠕变性能比较差.【期刊名称】《现代丝绸科学与技术》
【年(卷),期】2018(033)004
【总页数】3页(P5-7)
【关键词】UHMWPE纤维;结晶度;热学性能;拉伸性能;蠕变性能
【作者】何正洋;潘志娟
【作者单位】苏州大学纺织与服装工程学院,江苏苏州215123;苏州大学纺织与服装工程学院,江苏苏州215123;现代丝绸国家工程实验室(苏州),江苏苏州215123【正文语种】中文
随着科学技术的发展，各种高性能纤维不断出现在我们的日常生产生活中。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是上世纪80年代开发出的一种新型高性能纤维[1]，
其综合性能优异，具有密度小、强度高、模量高、耐切割、耐腐蚀、耐化学药剂等特点[2]，从而在众多高性能纤维中脱颖而出，被广泛应用在绳索、防弹衣、航空
航天等领域[3]。

目前，工业上多采用凝胶纺丝超倍拉伸技术制备UHMWPE纤维，制备UHMWPE纤维的原料分子量一般在100万以上。

UHMWPE纤维的分子链
以聚乙烯为基本结构，聚乙烯分子属于非极性分子，无极性基团，从而导致其与所接触的物质不容易发生化学反应，纤维具有很好的耐腐蚀、耐化学性能；同时经过超倍拉伸后，纤维内部结构变得较为致密规整，因此UHMWPE纤维的结晶度都
比较高，纤维具有很好的耐高能辐射性能[4]。

但UHMWPE纤维同时存在尺寸稳定性较差的缺点。

当受到恒定外力作用时，纤
维很容易在受力方向上发生变形，产生较大的蠕变伸长，从而在很大程度上限制了纤维的应用范围[5]。

UHMWPE纤维抗蠕变性能差的根本原因在于纤维的分子链
结构属于简单的伸直链，分子间无氢键作用，且范德华力也只有色散力，分子间作用力相对较小，当纤维受到外力作用时，分子间很容易产生滑移。

众多的研究人员都在为如何将低蠕变UHMWPE纤维真正实现产业化不懈努力。

目前，对UHMWPE纤维的抗蠕变改性主要分为两大类，即物理改性和化学改性。

物理改性主要包括多次拉伸法、复合纺丝法；化学改性主要包括紫外辐照交联、硅烷偶联剂法、高能射线辐照法[6]，此外有些研究人员还通过涂层[7]、等离子体处理[8]等方法探究其对UHMWPE纤维蠕变性能的影响。

本文对市场上不同规格UHMWPE
纤维的结构与性能进行测试分析，目的在于为低蠕变UHMWPE纤维的研制提供
一定的实验依据。

1 实验部分
1.1 实验材料
UHMWPE纤维(56 dtex/18F、111 dtex/36F、222 dtex/120F、444 dtex/240F、889 dtex/480F、 1 778 dtex/960F)，绍兴贝宇化纤有限公司提供。

1.2 测试与表征
采用溴化钾压片法制备UHMWPE纤维红外分析样品，在NICOLET 5700型智能型傅里叶红外光谱仪上测定并记录结果。

采用型号为X‘Pert Pro MPD的X射线衍射仪对UHMWPE纤维进行结晶性能测试。

测试前将超高分子量聚乙烯纤维剪成粉末，并将粉末填充至样品槽中压平，然后将样品槽放入到X射线衍射仪上进行测试。

测试条件：CuKα靶，λ=0.154 nm，电压40 kV，电流30 mA，衍射角5°～45°。

根据X射线衍射图谱分析判断UHMWPE纤维的结晶峰位置并计算其结晶度。

采用Diamond热重差热综合分析仪(TG/DTA)研究UHMWPE纤维受热分解情况，实验过程中通入N2保护，测试温度为50 ℃～600 ℃，升温速率为10 ℃/min；同时采用DSC差示扫描量热仪进一步探讨UHMWPE纤维的热学性能，测试过程同样通入N2保护，测试温度为30 ℃～180 ℃，升温速率为10 ℃/min。

采用Instron 3365型电子强力仪，按照标准GB/T14337-2008化学纤维短纤维
拉伸性能试验方法测定单纤维的拉伸性能。

预加张力(0.1±0.03) cN/dtex，夹持距离20 mm，拉伸速度10 mm/min。

试样按照标准GB/T6529-2008纺织品调湿和试验用标准大气进行调湿：在温度为(20±2)℃、湿度(65±3)%的条件下平衡24 h。

采用DMA动态机械分析仪(美国TA仪器公司)测定UHMWPE纤维束的蠕变性能。

测试之前，首先将DMA动态力学分析仪开机预热至少30 min，然后打开空压机，随后对仪器夹具进行校准。

测试长度15 mm，恒定应力0.1 N/tex，蠕变时间15 min，测试温度50℃，每组试样测试5次取平均值。

2 结果与讨论
2.1 纤维的红外光谱
不同规格UHMWPE纤维的红外光谱如图1所示。

从图中可以看出，不同规格
UHMWPE纤维的红外光谱图几乎相同。

UHMWPE纤维的分子链的基本结构是聚乙烯分子，聚乙烯分子中的原子基团是饱和的亚甲基(CH2-CH2)，因而其红外吸
收光谱图较为简单，在红外光谱图上主要有三种峰，分别为：伸缩振动：γC-H(-CH-)2 913.31 cm-1和2 847.49 cm-1；弯曲振动δC-H(-CH-) 1 469.60 cm-1；δC-H(-CH-)n，n>4时716.95 cm-1[9]。

图1 UHMWPE纤维的红外光谱图
2.2 纤维的结晶度
UHMWPE纤维的X射线衍射测试结果如图2所示。

从图中可以看出，不同规格UHMWPE纤维的X射线衍射峰基本相同，图中的3个衍射峰都是UHMWPE纤
维的结晶峰，结晶峰位置分别在19.4°、21.5°和23.8°。

其中19.4°(001)处属于单斜晶体，21.5°(110)以及23.8°(200)处属于正交晶，UHMWPE纤维的结晶峰以21.5°(110)以及23.8°(200)处的衍射峰为主。

用软件PeakFitv4.12对不同规格UHMWPE纤维的衍射图谱进行拟合，拟合结果如表1所示，UHMWPE纤维经过超倍拉伸后，纤维的结晶度都比较高。

图2 UHMWPE纤维的XRD图谱表1 不同规格UHMWPE纤维的结晶度
纤维束规格56dtex/18F111 dtex/36F222 dtex/120F444 dtex/240F889
dtex/480F1 778 dtex/960F结晶度/%78.3166.6482.5760.6057.9561.22
2.3 纤维的热学性能
不同规格UHMWPE纤维的DSC图谱如图3所示，从图中可以看出，各试样的熔融温度都大约在145 ℃左右。

UHMWPE纤维的DTG图谱如图4所示，不同规格UHMWPE纤维的分解速率均在430 ℃时明显增大，至500 ℃时，UHMWPE纤
维完全分解。

图3 UHMWPE纤维的DSC图谱
图4 UHMWPE纤维的DTG图谱
2.4 纤维的拉伸性能
不同规格UHMWPE单纤维的拉伸性能如表2所示。

从表中可以看出，UHMWPE 单纤维的断裂伸长率在4.89% ～ 5.79%，断裂强度在29.78 ～ 37.92 cN/dtex，初始模量在630 ～ 963 cN/dtex，且断裂伸长率低的纤维，其初始模量较大。

UHMWPE纤维力学性能优异，与芳纶纤维相比，UHMWPE纤维的断裂强度和初始模量都较大[10]。

表2 UHMWPE单纤维的拉伸性能纤维束规格单纤维细度/tex断裂伸长率/%断裂
强度/(cN/dtex)初始模量/(cN/dtex)56
dtex/18F0.315.79±1.1129.78±2.98630±62111
dtex/36F0.315.47±1.0029.99±3.77724±57222
dtex/120F0.194.89±0.9136.44±6.16963±89444
dtex/240F0.195.23±0.6435.21±3.28893±60889
dtex/480F0.195.38±0.6633.03±3.18773±801778
dtex/960F0.195.37±0.6037.92±3.40884±77
2.5 纤维的蠕变性能
不同规格UHMWPE纤维束的蠕变性能如图5所示。

从图中可以看出，规格为56 dtex/18F、111 dtex/36F、222 dtex/120F、444 dtex/240F、889 dtex/480F、1778 dtex/960F的UHMWPE纤维束的蠕变伸长率分别为0.51%、0.52%、
0.57%、0.75%、1.27%、2.46%。

随着UHMWPE纤维束的线密度增大，纤维对应的急弹性形变和总的蠕变伸长率也不断增大，且这种变化趋势越来越明显。

造成这一现象的原因在于：当不同规格UHMWPE纤维束所受的恒定应力相同时，纤
维细度越大，蠕变过程中纤维所受的拉力也越大，从而导致纤维的蠕变伸长也越大。

图5 UHMWPE纤维的蠕变过程曲线图
3 结论
(1)经过超倍拉伸后，UHMWPE纤维的结晶度都比较高，在60%以上。

(2)UHMWPE纤维在145 ℃左右会发生熔融，纤维的分解速率在430 ℃时明显增大，至500 ℃时，UHMWPE纤维完全分解。

(3)UHMWPE纤维的力学性能优异，纤维断裂伸长率在5%左右，断裂强度可达30 cN/dtex，初始模量可达到800 cN/dtex。

(4)UHMWPE纤维的抗蠕变性能较差，当对纤维施加相同的恒定应力时，纤维细度越大，其蠕变伸长率越大。

【相关文献】
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