超高分子量聚乙烯紗線性能研究及應(yīng)用

陳建軍，楊 勇，阮 洋

（1.中國石化儀征化纖股份有限公司，江蘇儀征 211900；2.江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇儀征 211900）

應(yīng)用技術(shù)

超高分子量聚乙烯紗線性能研究及應(yīng)用

陳建軍1，2，楊 勇1，2，阮 洋1

（1.中國石化儀征化纖股份有限公司，江蘇儀征 211900；2.江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇儀征 211900）

研究了超高分子量聚乙烯純紡紗線、紗線類型和不同比例混紡紗線的性能。結(jié)果表明超高分子量聚乙烯紗線具有高強(qiáng)低伸的特點(diǎn)，股線的斷裂強(qiáng)度比單紗高10%以上，均勻性更好，可滿足防護(hù)手套等特種領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)度、高耐磨紗線的需求，具有很好的應(yīng)用前景。

超高分子量聚乙烯 紗線 性能

超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE），是強(qiáng)度最高的化學(xué)纖維，其主鏈?zhǔn)歉叨葘?duì)稱的亞甲基結(jié)構(gòu)，理論斷裂強(qiáng)度高達(dá)328 cN／dtex，主流產(chǎn)品的實(shí)際斷裂強(qiáng)度在30～50 cN／dtex，初始模量大于900 cN／dtex，是名符其實(shí)的高強(qiáng)高模纖維。此外，其密度只有0. 97 g／cm3，低于多數(shù)合成纖維，而且化學(xué)穩(wěn)定性好，抗沖擊，耐切割，有非常廣泛的用途［1，2］。

目前，超高分子量聚乙烯纖維主要以長絲制品為主，包括防彈用UD布、防切割手套、各類繩索、漁網(wǎng)等，用于安全防護(hù)、航海、漁業(yè)、體育用品等領(lǐng)域；短纖紗也有少量應(yīng)用，如防護(hù)手套等。從產(chǎn)品特點(diǎn)看，短纖紗和長絲各有優(yōu)勢，短纖紗單絲間抱合更為緊密，手感較好，而且沒有鉤絲現(xiàn)象，短纖紗斷裂強(qiáng)度比長絲要低，但其防切割性能基本一致，而且短纖紗的斷裂強(qiáng)度仍遠(yuǎn)高于一般紗線產(chǎn)品，可在一定程度上滿足特種行業(yè)對(duì)超高強(qiáng)度紗線的需求［3］。

隨著國內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)能的急劇擴(kuò)張，單純靠傳統(tǒng)長絲產(chǎn)品的市場需求已經(jīng)難以消化過快增長的產(chǎn)能，短纖維和紗線領(lǐng)域?qū)⑹俏磥碇匾氖袌鲈鲩L點(diǎn)。筆者對(duì)各種超高分子量聚乙烯紗線的力學(xué)性能及應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

各種超高分子量聚乙烯紗線短纖維由中國石化儀征化纖股份公司生產(chǎn)，紗線由中國紡織科學(xué)院提供。

1.2 測試設(shè)備

強(qiáng)力測試儀（英斯特朗Instron 5944）；

紗線捻度機(jī)（大榮紡儀，YGB 331A）；

束絲或紗線強(qiáng)力測試儀（上海德杰）；

單絲強(qiáng)力測試儀（上海新纖，XQ-1C）。

1.3 測試方法和標(biāo)準(zhǔn)

紗線的強(qiáng)伸根據(jù)國標(biāo)GB／T 3916-1997《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》進(jìn)行測試；紗線捻度根據(jù)國標(biāo)GB／T2543.2-2001《紡織品紗線捻度的測定第2部分：退捻加捻法》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)所用紡紗為強(qiáng)度稍低的低等級(jí)纖維超高分子量聚乙烯短纖維，斷裂強(qiáng)度約23～28 cN／dtex，纖度約1.2～1.9 dtex。

2.1 純紡紗線的性能

超高分子量聚乙烯纖維純紡有一定的技術(shù)難度，主要表現(xiàn)在靜電問題和強(qiáng)度過高造成的易損針布難以清理、接頭困難，但只要工藝控制得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)順利紡紗，而且紗線指標(biāo)良好，29.5 tex×2純紡紗線的主要指標(biāo)如表1所示。

表1 超高分子量聚乙烯純紡紗線性能指標(biāo)

如表1所示，超高分子量聚乙烯紗線具有典型的高強(qiáng)低伸的特點(diǎn)，其斷裂強(qiáng)度雖然比超高分子量聚乙烯長絲低，但仍遠(yuǎn)高于一般紗線產(chǎn)品，其強(qiáng)度接近同規(guī)格滌綸紗線的3倍，而斷裂伸長只有滌綸紗線的一半左右，如果以強(qiáng)度更高的纖維為原料紡出的超高分子量聚乙烯紗斷裂強(qiáng)度將會(huì)更高。

從重量偏差、捻度等指標(biāo)看，紗線的實(shí)際物理指標(biāo)較為理想，說明超高分子量聚乙烯纖維的紡紗有較好的可控性，而且重量偏差、條干CV、毛羽等均較好，紗線均勻度很高，可見超高分子量聚乙烯纖維雖然紡紗難度高，但完全可以紡出高品質(zhì)的紗線。

2.2 混紡紗線的性能

2.2.1 紗線類型對(duì)其性能的影響

測試了不同規(guī)格UHMWPE／PET 90／10混紡紗線的力學(xué)性能指標(biāo)，包括單紗、雙股線、三股線等，結(jié)果見表2所示。

表2 UHMWPE／PET 90／10混紡紗線力學(xué)性能

如表2所示，和普通纖維紗線一樣，超高分子量聚乙烯股線的斷裂強(qiáng)度較單紗有明顯提高，提高幅度在10%以上，而且整體來看，股線斷裂強(qiáng)度CV和斷裂伸長率CV也較單紗低，股線的均勻性明顯好于單紗。在各類股線中，單紗較細(xì)的股線強(qiáng)度也較低一些。

2.2.2 不同混紡比例對(duì)紗線性能影響

為研究混紡比對(duì)超高分子量聚乙烯混紡紗線斷裂強(qiáng)度的影響，分別測試了不同混紡比超高分子量聚乙烯纖維和滌綸及尼龍混紡紗線的斷裂強(qiáng)度。

25 tex×2規(guī)格UHMWPE／PET 50／50、UHMWPE／PET 70／30、UHMWPE／PET 90／10、UHMWPE／PA6 50／50、UHMWPE／PA6 70／30、UHMWPE／PA6 90／10、UHMWPE 100%紗線的斷裂強(qiáng)度測試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，混紡紗線的斷裂強(qiáng)度和混紡比不是線性關(guān)系，滌綸纖維10%的紗線斷裂強(qiáng)度最高，純UHMWPE紗線斷裂強(qiáng)度略低于滌綸纖維含量30%和10%的紗線斷裂強(qiáng)度，其原因比較復(fù)雜，因?yàn)榧喚€的斷裂強(qiáng)度取決于紗線斷裂時(shí)參與斷裂的纖維的總量，在紗線斷裂過程中有很大一部分纖維只是發(fā)生了滑移，并未斷裂，而高性能聚乙烯纖維的表面摩擦系數(shù)很小，紗線中單絲間很容易滑移，滌綸纖維含量較少時(shí)這種纖維間的相對(duì)滑移更為容易，所以增加一定滌綸纖維含量反倒有助于提高紗線強(qiáng)度，但滌綸纖維含量更高時(shí)因其強(qiáng)度低使得紗線強(qiáng)度下降。而超高分子量聚乙烯與尼龍混紡紗線的斷裂強(qiáng)度和混紡比的關(guān)系與上述原理相同，但具體趨勢略有不同。

圖1 不同混紡比混紡紗線斷裂強(qiáng)度

2.2.3 與芳綸混紡紗線性能比較

另外還測試了一批UHMWPE／PPTA（芳綸）混紡紗力學(xué)性能指標(biāo)，結(jié)果見表3所示。

從表3可以看出，高性能聚乙烯／芳綸混紡紗線的斷裂強(qiáng)度為8 cN／dtex，在同規(guī)格純UHMWPE和純芳綸紗線之間。

表3 UHMWPE／PPTA（芳綸）以90／10混紡紗線斷裂強(qiáng)度

3 應(yīng)用領(lǐng)域

超高分子量聚乙烯紗線有較高的斷裂強(qiáng)度和較低的斷裂伸長，并有良好的耐磨性、抗切割性和優(yōu)異的可編織性，可用于特種縫紉線，各種防切割、高耐磨織物產(chǎn)品，如特種箱包線、各種防護(hù)手套等。

3.1 在防護(hù)手套中的應(yīng)用

和長絲相比，超高分子量聚乙烯短纖紗織物產(chǎn)品手感更好，風(fēng)格獨(dú)特，而且無鉤絲現(xiàn)象，具有同樣的耐磨性和防切割等級(jí)，結(jié)實(shí)耐用且防護(hù)性能良好，用其做成的防切割手套抗撕裂性和耐磨性均能達(dá)到4級(jí)，防切割性可達(dá)到5級(jí)，完全可以滿足使用要求。

3.2 在特殊面料中的應(yīng)用

超高分子量聚乙烯長絲織造能力差，只能在圓機(jī)、經(jīng)編機(jī)上加工，面料風(fēng)格單一，應(yīng)用范圍有限；但超高分子量聚乙烯短纖紗線織造能力強(qiáng)，可在多種編織機(jī)進(jìn)行織造，而且可通過混紡改變風(fēng)格、強(qiáng)度，在冰涼織物開發(fā)、家紡等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

3.3 在高強(qiáng)縫紉線中的應(yīng)用

超高分子量聚乙烯短纖縫紉線，強(qiáng)度是普通縫紉線的2～3倍，在真皮縫制、特殊箱包線領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

a）超高分子量聚乙烯紗線有很高的斷裂強(qiáng)度和較低的斷裂伸長，其斷裂強(qiáng)度達(dá)到滌綸紗的3倍，斷裂伸長只有其一半左右，而且紗線各項(xiàng)指標(biāo)良好，可以開發(fā)出高品質(zhì)的紗線產(chǎn)品；

b）超高分子量聚乙烯股線的強(qiáng)度較單紗高10%以上，而且股線的均勻性較單紗有明顯提高；

c）在超高分子量聚乙烯短纖中混入一定比例的滌綸、錦綸、芳綸纖維，制成的混紡紗線具有良好的力學(xué)性能，并且有助于提高紗線斷裂強(qiáng)度；

d）超高分子量聚乙烯紗線可滿足特殊領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)度紗線的需求，并可用于開發(fā)耐磨、防切割紡織產(chǎn)品，其防切割性能和長絲基本一致，有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］Roelof Marissen.Design with Ultra Strong Polyethylene Fiber［J］. Materials Sciences and App lication，2011，2：319-330.

［2］蔡忠龍，洗杏娟.超高模聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料［M］.北京：科學(xué)出版社，1997：73-75.

［3］R Marissen，et al.Cut Resistan Yarn，a Process for Producing the Yarn and Products Containing the Yarn：WO，2008046476［P］. 2008-04-24.

Study on perform ance and app lication of UHMWPE yarns

Chen JianJun1，2，Yang Yong1，2，Ruan Yang1

（1．Sinopec Yizheng Chem ical Fibre Company Limited，Yizheng Jiangsu 211900，China；2．Jiangsu Key Laboratory of Performance Fiber，Yizheng Jiangsu 211900，China）

The study on the performance of UHMWPE yarns is given in this paper，includingmono fiber yarn，the type of yarn and blending in varying proportions.The results show that the unique feature of UHMWPE yarn is stronger and lower elongation.The breaking strength of UHMWPE plied yarn is better than UHMWPE single yarn，up to 10%，and homogeneity is also better.UHMWPE yarns can meet the demand of high strength yarns in some special fields like cut resistant gloves，and themarket prospect for UHMWPE yarns is very broad.

UHMWPE；yarn；performance

TQ342.61

B

1006-334X（2014）03-0036-03

2014-08-16

陳建軍（1964—），男，浙江建德人，高級(jí)工程師，主要從事高性能聚乙烯生產(chǎn)及管理工作。