超高分子量聚乙烯纖維的結(jié)構(gòu)與性能

何正洋，潘志娟,2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215123；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室(蘇州)，江蘇 蘇州 215123)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高性能纖維不斷出現(xiàn)在我們的日常生產(chǎn)生活中。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維是上世紀(jì)80年代開發(fā)出的一種新型高性能纖維[1]，其綜合性能優(yōu)異，具有密度小、強度高、模量高、耐切割、耐腐蝕、耐化學(xué)藥劑等特點[2]，從而在眾多高性能纖維中脫穎而出，被廣泛應(yīng)用在繩索、防彈衣、航空航天等領(lǐng)域[3]。目前，工業(yè)上多采用凝膠紡絲超倍拉伸技術(shù)制備UHMWPE纖維，制備UHMWPE纖維的原料分子量一般在100萬以上。UHMWPE纖維的分子鏈以聚乙烯為基本結(jié)構(gòu)，聚乙烯分子屬于非極性分子，無極性基團，從而導(dǎo)致其與所接觸的物質(zhì)不容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，纖維具有很好的耐腐蝕、耐化學(xué)性能；同時經(jīng)過超倍拉伸后，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得較為致密規(guī)整，因此UHMWPE纖維的結(jié)晶度都比較高，纖維具有很好的耐高能輻射性能[4]。

但UHMWPE纖維同時存在尺寸穩(wěn)定性較差的缺點。當(dāng)受到恒定外力作用時，纖維很容易在受力方向上發(fā)生變形，產(chǎn)生較大的蠕變伸長，從而在很大程度上限制了纖維的應(yīng)用范圍[5]。UHMWPE纖維抗蠕變性能差的根本原因在于纖維的分子鏈結(jié)構(gòu)屬于簡單的伸直鏈，分子間無氫鍵作用，且范德華力也只有色散力，分子間作用力相對較小，當(dāng)纖維受到外力作用時，分子間很容易產(chǎn)生滑移。眾多的研究人員都在為如何將低蠕變UHMWPE纖維真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化不懈努力。目前，對UHMWPE纖維的抗蠕變改性主要分為兩大類，即物理改性和化學(xué)改性。物理改性主要包括多次拉伸法、復(fù)合紡絲法；化學(xué)改性主要包括紫外輻照交聯(lián)、硅烷偶聯(lián)劑法、高能射線輻照法[6]，此外有些研究人員還通過涂層[7]、等離子體處理[8]等方法探究其對UHMWPE纖維蠕變性能的影響。本文對市場上不同規(guī)格UHMWPE纖維的結(jié)構(gòu)與性能進行測試分析，目的在于為低蠕變UHMWPE纖維的研制提供一定的實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

UHMWPE纖維(56 dtex/18F、111 dtex/36F、222 dtex/120F、444 dtex/240F、889 dtex/480F、 1 778 dtex/960F)，紹興貝宇化纖有限公司提供。

1.2 測試與表征

采用溴化鉀壓片法制備UHMWPE纖維紅外分析樣品，在NICOLET 5700型智能型傅里葉紅外光譜儀上測定并記錄結(jié)果。

采用型號為X‘Pert Pro MPD的X射線衍射儀對UHMWPE纖維進行結(jié)晶性能測試。測試前將超高分子量聚乙烯纖維剪成粉末，并將粉末填充至樣品槽中壓平，然后將樣品槽放入到X射線衍射儀上進行測試。測試條件：CuKα靶，λ=0.154 nm，電壓40 kV，電流30 mA，衍射角5°～45°。根據(jù)X射線衍射圖譜分析判斷UHMWPE纖維的結(jié)晶峰位置并計算其結(jié)晶度。

采用Diamond熱重差熱綜合分析儀(TG/DTA)研究UHMWPE纖維受熱分解情況，實驗過程中通入N2保護，測試溫度為50 ℃～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min；同時采用DSC差示掃描量熱儀進一步探討UHMWPE纖維的熱學(xué)性能，測試過程同樣通入N2保護，測試溫度為30 ℃～180 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

采用Instron 3365型電子強力儀，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T14337-2008化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗方法測定單纖維的拉伸性能。預(yù)加張力(0.1±0.03) cN/dtex，夾持距離20 mm，拉伸速度10 mm/min。試樣按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T6529-2008紡織品 調(diào)濕和試驗用標(biāo)準(zhǔn)大氣進行調(diào)濕：在溫度為(20±2)℃、濕度(65±3)%的條件下平衡24 h。

采用DMA動態(tài)機械分析儀(美國TA儀器公司)測定UHMWPE纖維束的蠕變性能。測試之前，首先將DMA動態(tài)力學(xué)分析儀開機預(yù)熱至少 30 min，然后打開空壓機，隨后對儀器夾具進行校準(zhǔn)。測試長度15 mm，恒定應(yīng)力0.1 N/tex，蠕變時間15 min，測試溫度50℃，每組試樣測試5次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維的紅外光譜

不同規(guī)格UHMWPE纖維的紅外光譜如圖1所示。從圖中可以看出，不同規(guī)格UHMWPE纖維的紅外光譜圖幾乎相同。UHMWPE纖維的分子鏈的基本結(jié)構(gòu)是聚乙烯分子，聚乙烯分子中的原子基團是飽和的亞甲基(CH2-CH2)，因而其紅外吸收光譜圖較為簡單，在紅外光譜圖上主要有三種峰，分別為：伸縮振動：γC-H(-CH-)2 913.31 cm-1和2 847.49 cm-1；彎曲振動δC-H(-CH-) 1 469.60 cm-1；δC-H(-CH-)n，n>4時716.95 cm-1[9]。

圖1 UHMWPE纖維的紅外光譜圖

2.2 纖維的結(jié)晶度

UHMWPE纖維的X射線衍射測試結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，不同規(guī)格UHMWPE纖維的X射線衍射峰基本相同，圖中的3個衍射峰都是UHMWPE纖維的結(jié)晶峰，結(jié)晶峰位置分別在19.4°、21.5°和23.8°。其中19.4°(001)處屬于單斜晶體，21.5°(110)以及23.8°(200)處屬于正交晶，UHMWPE纖維的結(jié)晶峰以21.5°(110)以及23.8°(200)處的衍射峰為主。用軟件PeakFitv4.12對不同規(guī)格UHMWPE纖維的衍射圖譜進行擬合，擬合結(jié)果如表1所示，UHMWPE纖維經(jīng)過超倍拉伸后，纖維的結(jié)晶度都比較高。

圖2 UHMWPE纖維的XRD圖譜

纖維束規(guī)格56dtex/18F111 dtex/36F222 dtex/120F444 dtex/240F889 dtex/480F1 778 dtex/960F結(jié)晶度/%78.3166.6482.5760.6057.9561.22

2.3 纖維的熱學(xué)性能

不同規(guī)格UHMWPE纖維的DSC圖譜如圖3所示，從圖中可以看出，各試樣的熔融溫度都大約在145 ℃左右。UHMWPE纖維的DTG圖譜如圖4所示，不同規(guī)格UHMWPE纖維的分解速率均在430 ℃時明顯增大，至500 ℃時，UHMWPE纖維完全分解。

圖3 UHMWPE纖維的DSC圖譜

圖4 UHMWPE纖維的DTG圖譜

2.4 纖維的拉伸性能

不同規(guī)格UHMWPE單纖維的拉伸性能如表2所示。從表中可以看出，UHMWPE單纖維的斷裂伸長率在4.89% ～ 5.79%，斷裂強度在29.78 ～ 37.92 cN/dtex，初始模量在630 ～ 963 cN/dtex，且斷裂伸長率低的纖維，其初始模量較大。UHMWPE纖維力學(xué)性能優(yōu)異，與芳綸纖維相比，UHMWPE纖維的斷裂強度和初始模量都較大[10]。

表2 UHMWPE單纖維的拉伸性能

2.5 纖維的蠕變性能

不同規(guī)格UHMWPE纖維束的蠕變性能如圖5所示。從圖中可以看出，規(guī)格為56 dtex/18F、111 dtex/36F、222 dtex/120F、444 dtex/240F、 889 dtex/480F、1778 dtex/960F的UHMWPE纖維束的蠕變伸長率分別為0.51%、0.52%、0.57%、0.75%、1.27%、2.46%。隨著UHMWPE纖維束的線密度增大，纖維對應(yīng)的急彈性形變和總的蠕變伸長率也不斷增大，且這種變化趨勢越來越明顯。造成這一現(xiàn)象的原因在于：當(dāng)不同規(guī)格UHMWPE纖維束所受的恒定應(yīng)力相同時，纖維細(xì)度越大，蠕變過程中纖維所受的拉力也越大，從而導(dǎo)致纖維的蠕變伸長也越大。

圖5 UHMWPE纖維的蠕變過程曲線圖

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過超倍拉伸后，UHMWPE纖維的結(jié)晶度都比較高，在60%以上。

(2)UHMWPE纖維在145 ℃左右會發(fā)生熔融，纖維的分解速率在430 ℃時明顯增大，至500 ℃時，UHMWPE纖維完全分解。

(3)UHMWPE纖維的力學(xué)性能優(yōu)異，纖維斷裂伸長率在5%左右，斷裂強度可達30 cN/dtex，初始模量可達到800 cN/dtex。

(4)UHMWPE纖維的抗蠕變性能較差，當(dāng)對纖維施加相同的恒定應(yīng)力時，纖維細(xì)度越大，其蠕變伸長率越大。