本發(fā)明涉及一種短纖增強(qiáng)復(fù)合纖維，尤其涉及一種短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維及制備方法。
背景技術(shù)：
：進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，材料領(lǐng)域飛速發(fā)展，涌現(xiàn)了一批引起行業(yè)變革的新材料，其中作為三大高性能材料的碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維已取代了多個(gè)領(lǐng)域中的金屬材料，高性能纖維材料具有強(qiáng)度高、剛性大、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。其中，超高分子量聚乙烯纖維由于原料易得，成本相對(duì)較低，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)十幾年且在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超高分子量聚乙烯纖維具有高取向度、高結(jié)晶度，微纖沿拉伸方向排列規(guī)整度高的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。尤其是以其力學(xué)性能優(yōu)異，軸向拉伸強(qiáng)度很高，比強(qiáng)度是現(xiàn)有高性能纖維中最高的；且密度僅為芳綸的2/3和高模碳纖維的1/2；，在多種介質(zhì)中，如水、油、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿等溶液中具有優(yōu)良的抗?jié)裥院涂够瘜W(xué)腐蝕性能，打破了芳綸、碳纖維的壟斷地位，并逐漸取代芳綸、碳纖維在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，可用于軍隊(duì)裝備物資、機(jī)械制造、薄板加工、玻璃切割、精工打磨、鍛件搬運(yùn)、屠宰分割、消防救援、野外防護(hù)、刀具生產(chǎn)、造紙、航運(yùn)、漁業(yè)、海上工業(yè)用繩索、電纜、漁網(wǎng)，登山繩索等領(lǐng)域；并在汽車(chē)、航空航天、國(guó)防兵器等領(lǐng)域，發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。近年來(lái)，超高分子量聚乙烯纖維主要大范圍用于織造防切割、防刺服裝及手套，纜繩，登山繩索等。隨著適用領(lǐng)域的深入，某些使用條件下的缺陷也逐漸暴露出來(lái)。當(dāng)超高分子量聚乙烯纖維用來(lái)織造防切割用品時(shí)，使用一定時(shí)間后，主要防護(hù)部位出現(xiàn)破損，防護(hù)性能下降，繼續(xù)使用時(shí)，很容易發(fā)生嚴(yán)重破損導(dǎo)致人體受到利器傷害。其根本原因是提供主要防切割效果的超高分子量聚乙烯纖維模量不足，使用后磨損部位的防切割指數(shù)下降而產(chǎn)生的。當(dāng)超高分子量聚乙烯纖維用來(lái)編織纜繩時(shí)，尤其作為系泊纜繩使用時(shí)，船舶長(zhǎng)期?？吭诟劭诨蚝Ｊ伦鳂I(yè)平臺(tái)，系泊纜繩為船體的穩(wěn)定起到關(guān)鍵的作用，隨著海水流動(dòng)，船舶輕微的移動(dòng)產(chǎn)生的拉力也不容小覷，尤其當(dāng)船舶噸位較重或載貨時(shí)，系泊纜繩所承受的力是連續(xù)且不斷發(fā)生變化的。當(dāng)系泊時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，超高分子量聚乙烯原料纜繩發(fā)生一定的蠕變伸長(zhǎng)，且這部分伸長(zhǎng)時(shí)不可恢復(fù)的，蠕變使纜繩綜合使用性能下降，尤其以與金屬連接處的性能下降最快。蠕變的產(chǎn)生主要是由于纖維高度有序的大分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺乏極性基團(tuán)，分子鏈間結(jié)合力較弱，長(zhǎng)期使用時(shí)發(fā)生分子鏈的滑移，隨著超高分子量聚乙烯纖維在安全防護(hù)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用，由于其本身分子結(jié)構(gòu)特殊性產(chǎn)生的問(wèn)題越來(lái)越多，使之具備優(yōu)良性能的因素反而成為制約該纖維進(jìn)一步應(yīng)用的弊端，尤其以防護(hù)制品防切割指數(shù)不足、繩類(lèi)制品蠕變現(xiàn)象嚴(yán)重最為突出，因此，解決這一類(lèi)的問(wèn)題顯得尤為重要。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維及其制造方法，采用具有增強(qiáng)效果的超短纖作為改性填料，添加至超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)過(guò)程中，制備一種具有使用壽命長(zhǎng)，強(qiáng)度、模量高，蠕變小的復(fù)合纖維，以解決防切割制品性能不足、繩索蠕變現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維，包括有超短纖和超高分子量聚乙烯，所述超短纖和超高分子量聚乙烯的質(zhì)量比為3：97到5：97。進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述超短纖為玻璃纖維超短纖或玄武巖纖維超短纖。進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述超高分子量聚乙烯粉狀原料的分子量控制在400-600萬(wàn)，紡絲液的含固量控制在10%以下，其中固體成分不僅包括超高分子量聚乙烯，還包含作為增強(qiáng)相得超短纖，即玻璃纖維超短纖、玄武巖纖維超短纖。進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述超短纖的重量百分比為3%~5%。進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述復(fù)合纖維的線密度33~1776dtex，斷裂強(qiáng)力50~150n，斷裂強(qiáng)度30~35cn/dtex，斷裂伸長(zhǎng)13~18mm，斷裂伸長(zhǎng)率2.8~4.2%，斷裂模量770~1340cn/dtex，初始模量0.3~6.2cn/dtex。一種超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維的制造方法，先將超短纖與紡絲溶劑白油配置成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6.67%的混合液，連續(xù)攪拌分散均勻；超高分子量聚乙烯粉末與紡絲溶劑白油按照重量百分?jǐn)?shù)的9.5%制成紡絲溶脹液，再將超短纖混合液與紡絲溶脹液在雙螺桿擠出機(jī)入口端同時(shí)注入，控制超短纖混合液的流量為12.18kg/h，紡絲溶脹液流量為171.05kg/h，使超短纖與超高分子量聚乙烯的質(zhì)量比為3：97到5：97，經(jīng)過(guò)噴絲系統(tǒng)，每個(gè)噴絲頭分成均勻的四束纖維，得到含有超短纖的初生纖維，初生纖維在室溫下平衡靜置36~48h后，用萃取劑萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七輥牽伸機(jī)加熱箱中140℃下進(jìn)行熱拉伸，拉伸比維持在40-45，得到玻璃纖維超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明涉及的方法采用超短纖增強(qiáng)的方法，提高纖維制品防切割性能及改善蠕變現(xiàn)象，制備的復(fù)合纖維在原有高強(qiáng)度、高模量的基礎(chǔ)上，提高了纖維應(yīng)力應(yīng)變性能，切割性能得到顯著提高；有效改善了分子鏈易滑移導(dǎo)致的蠕變，通過(guò)使用性能測(cè)定發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明涉及的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維還可應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域，如建筑增強(qiáng)纖維材料、輕質(zhì)防彈材料等。具體實(shí)施方式為了加深對(duì)本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述，本實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。實(shí)施例一玻璃纖維超短纖與紡絲溶劑白油配置成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6.67%的混合液，連續(xù)攪拌分散均勻；超高分子量聚乙烯粉末與紡絲溶劑白油按照重量百分?jǐn)?shù)的9.5%制成紡絲溶脹液；將超短纖混合液與紡絲溶脹液在雙螺桿擠出機(jī)入口端同時(shí)注入，控制超短纖混合液的流量為12.18kg/h，紡絲溶脹液流量為171.05kg/h，使超短纖與超高分子量聚乙烯的質(zhì)量比為5:97，經(jīng)過(guò)噴絲系統(tǒng)，每個(gè)噴絲頭分成均勻的四束纖維，得到含有超短纖的初生纖維；初生纖維在室溫下平衡靜置36~48h后，用萃取劑（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七輥牽伸機(jī)-加熱箱中140℃下進(jìn)行熱拉伸，拉伸比維持在40，得到玻璃纖維超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維。實(shí)施例二玻璃纖維超短纖與紡絲溶劑白油配置成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6.67%的混合液，連續(xù)攪拌分散均勻；超高分子量聚乙烯粉末與紡絲溶劑白油按照重量百分?jǐn)?shù)的9.5%制成紡絲溶脹液；將超短纖混合液與紡絲溶脹液在雙螺桿擠出機(jī)入口端同時(shí)注入，控制超短纖混合液的流量為12.18kg/h，紡絲溶脹液流量為171.05kg/h，使超短纖與超高分子量聚乙烯的質(zhì)量比為5:95，經(jīng)過(guò)噴絲系統(tǒng)，每個(gè)噴絲頭為一束，得到含有超短纖的初生纖維；初生纖維在室溫下平衡靜置36~48h后，用萃取劑（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七輥牽伸機(jī)-加熱箱中145℃下進(jìn)行熱拉伸，拉伸比維持在42，得到玻璃纖維超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維。實(shí)施例三玻璃纖維超短纖與紡絲溶劑白油配置成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6.67%的混合液，連續(xù)攪拌分散均勻；超高分子量聚乙烯粉末與紡絲溶劑白油按照重量百分?jǐn)?shù)的9.5%制成紡絲溶脹液；將超短纖混合液與紡絲溶脹液在雙螺桿擠出機(jī)入口端同時(shí)注入，控制超短纖混合液的流量為12.18kg/h，紡絲溶脹液流量為171.05kg/h，使超短纖與超高分子量聚乙烯的質(zhì)量比為5:95，經(jīng)過(guò)噴絲系統(tǒng)，每?jī)蓚€(gè)噴絲頭為一束，得到含有超短纖的初生纖維；初生纖維在室溫下平衡靜置36~48h后，用萃取劑（prime103）萃取，然后在44℃下干燥15min，最后在七輥牽伸機(jī)-加熱箱中148℃下進(jìn)行熱拉伸，拉伸比維持在45，得到玻璃纖維超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維。實(shí)施例四玻璃纖維超短纖與紡絲溶劑白油配置成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4.00%的混合液，連續(xù)攪拌分散均勻；超高分子量聚乙烯粉末與紡絲溶劑白油按照重量百分?jǐn)?shù)的9.5%制成紡絲溶脹液；將超短纖混合液與紡絲溶脹液在雙螺桿擠出機(jī)入口端同時(shí)注入，控制超短纖混合液的流量為12.18kg/h，紡絲溶脹液流量為171.05kg/h，使超短纖與超高分子量聚乙烯的質(zhì)量比為3:97，經(jīng)過(guò)噴絲系統(tǒng)，每個(gè)噴絲頭分為兩束纖維，得到含有超短纖的初生纖維；初生纖維在室溫下平衡靜置36~48h后，用萃取劑（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七輥牽伸機(jī)-加熱箱中143℃下進(jìn)行熱拉伸，拉伸比維持在40，得到玻璃纖維超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維。實(shí)施例五玻璃纖維超短纖與紡絲溶劑白油配置成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5.34%的混合液，連續(xù)攪拌分散均勻；超高分子量聚乙烯粉末與紡絲溶劑白油按照重量百分?jǐn)?shù)的9.5%制成紡絲溶脹液；將超短纖混合液與紡絲溶脹液在雙螺桿擠出機(jī)入口端同時(shí)注入，控制超短纖混合液的流量為12.18kg/h，紡絲溶脹液流量為171.05kg/h，使超短纖與超高分子量聚乙烯的質(zhì)量比為4:96，經(jīng)過(guò)噴絲系統(tǒng)，每個(gè)噴絲頭分為兩束纖維，得到含有超短纖的初生纖維；初生纖維在室溫下平衡靜置36~48h后，用萃取劑（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七輥牽伸機(jī)-加熱箱中143℃下進(jìn)行熱拉伸，拉伸比維持在40，得到玻璃纖維超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維。實(shí)施例六玻璃纖維超短纖與紡絲溶劑白油配置成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6.67%的混合液，連續(xù)攪拌分散均勻；超高分子量聚乙烯粉末與紡絲溶劑白油按照重量百分?jǐn)?shù)的9.5%制成紡絲溶脹液；將超短纖混合液與紡絲溶脹液在雙螺桿擠出機(jī)入口端同時(shí)注入，控制超短纖混合液的流量為12.18kg/h，紡絲溶脹液流量為171.05kg/h，使超短纖與超高分子量聚乙烯的質(zhì)量比為5:95，經(jīng)過(guò)噴絲系統(tǒng)，每個(gè)噴絲頭分為兩束纖維，得到含有超短纖的初生纖維；初生纖維在室溫下平衡靜置36~48h后，用萃取劑（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七輥牽伸機(jī)-加熱箱中143℃下進(jìn)行熱拉伸，拉伸比40，得到玻璃纖維超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維。實(shí)施例七超高分子量聚乙烯粉末與紡絲溶劑白油按照重量百分?jǐn)?shù)的9.5%制成紡絲溶脹液；注入雙螺桿擠出機(jī)，流量控制為171.05kg/h，經(jīng)過(guò)噴絲系統(tǒng)，每個(gè)噴絲頭分為兩束纖維，得到含有超短纖的初生纖維；初生纖維在室溫下平衡靜置36~48h后，用萃取劑（prime103）萃取，然后在40℃下干燥15min，最后在七輥牽伸機(jī)-加熱箱中143℃下進(jìn)行熱拉伸，拉伸比40，得到超高分子量聚乙烯纖維。超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維的性能指標(biāo)如下：性能指標(biāo)實(shí)施例一實(shí)施例二實(shí)施例三線密度/（dtex）123431856.00斷裂強(qiáng)力/（n）37.9980.93163.52斷裂強(qiáng)度/（cn/dtex）30.8929.4431.09斷裂伸長(zhǎng)/（mm）18.7714.3218.37斷裂伸長(zhǎng)率/（%）3.132.392.98斷裂模量/（cn/dtex）1015.841026.451016.61初始模量/（cn/dtex）3.188.567.07超短纖的重量百分比控制在3%~5%，由公式：“超短纖重量百分比（%）=（m2/m1）×100%”得出，其中取一定量的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維，記作m1，100℃烘干2h后稱重，于馬弗爐中450℃灼燒3h，冷卻后采用差量法稱量殘留物質(zhì)量m2。制備含量不同的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維：實(shí)施例四的線密度233dtex，斷裂強(qiáng)力70.66n，斷裂強(qiáng)度30.32cn/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率2.36%，斷裂模量1289.79cn/dtex，預(yù)設(shè)超短纖添加量3%；實(shí)施例五的線密度243dtex，斷裂強(qiáng)力71.84n，斷裂強(qiáng)度30.69cn/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率2.52%，斷裂模量1171.61cn/dtex，預(yù)設(shè)超短纖添加量4%；實(shí)施例六的線密度214dtex，斷裂強(qiáng)力65.69n，斷裂強(qiáng)度29.57cn/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率2.38%，斷裂模量1291.02cn/dtex，預(yù)設(shè)超短纖添加量5%；實(shí)施例七的線密度228dtex，斷裂強(qiáng)力82.39n，斷裂強(qiáng)度32.35cn/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率2.82%，斷裂模量1238.31cn/dtex，超短纖添加量0。實(shí)際超短纖含量及防切割指數(shù)如下：實(shí)施例四實(shí)施例五實(shí)施例六實(shí)施例七超短纖預(yù)設(shè)含量/%3450超短纖實(shí)際含量/%2.563.454.8102000h，10%斷裂強(qiáng)力下的蠕變/%1.080.950.655.3紡織品平均防切割指數(shù)30.338.444.626.9本發(fā)明的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維用作防切割材料時(shí)，超高分子量聚乙烯纖維材料是主要的防切割成分，輔助以其他纖維材料，如錦綸、氨綸、滌綸、不銹鋼纖維等，通過(guò)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可得截面異性的防切割包覆紗，再將防切割包覆紗進(jìn)行織造加工，得到的紡織品具有防護(hù)銳器刺傷、割傷的作用。本發(fā)明涉及的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維除了具備高強(qiáng)度、高模量的性能外，其防切割性能優(yōu)良，斷裂強(qiáng)度最高可達(dá)35cn/dtex，初始模量最高6.2cn/dtex，提供了良好的防切割性能。當(dāng)用于織造防切割防護(hù)用品時(shí)，將防切割包覆紗在手套編織機(jī)上進(jìn)行加工，得到的手套制品，根據(jù)en388標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)制品的防切割指數(shù)可達(dá)40以上，遠(yuǎn)高于五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)防切割指數(shù)20的標(biāo)準(zhǔn)，在建筑、電力、切割行業(yè)的實(shí)際使用過(guò)程中，防切割手套制成品手掌部位為重點(diǎn)防護(hù)部位，使用壽命可延長(zhǎng)一倍以上，對(duì)手部可起到良好的保護(hù)作用。本發(fā)明所述的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維可用于編制纜繩產(chǎn)品，所述的纜繩產(chǎn)品采用1200~6400d的增強(qiáng)復(fù)合纖維，具有以下性能指標(biāo)：（1）復(fù)合纖維內(nèi)部存在的超短纖，增大了纖維分子鏈間的摩擦力，抵抗外力變形能力增大，尤其是受到斷裂強(qiáng)度的10%的外力2000h后，纜繩的蠕變由原來(lái)的4~8%降為0.65~1.08%。（2）超高分子量聚乙烯纖維本身具有良好的耐光性能，經(jīng)過(guò)超短纖增強(qiáng)后的復(fù)合纖維其耐光性得到增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)1500h的模擬光照，強(qiáng)度保持率由原來(lái)的80%提高到87%以上。（3）本發(fā)明所述的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維制成纜繩產(chǎn)品時(shí)，由于密度小，直徑細(xì)，相同斷裂強(qiáng)力下的繩子直徑為尼龍纜繩直徑的3/5。（4）纜繩制品的直徑介于30~120mm之間，尤其當(dāng)直徑為120mm時(shí)，斷裂強(qiáng)力可達(dá)2000kn以上。本發(fā)明所述的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維可用于制造釣魚(yú)線，所述的釣魚(yú)線采用線密度為100~400d的增強(qiáng)復(fù)合纖維，原料纖維的斷裂強(qiáng)力為50~150n，能夠保證釣魚(yú)線產(chǎn)品的斷裂強(qiáng)力維持在較高的水平。通過(guò)四股或八股編織，斷裂強(qiáng)力在600~1200n之間，高于尼龍釣魚(yú)線的3倍以上。本發(fā)明所述的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維用于制造纖維復(fù)合材料，由于添加了超短纖材料，某些嵌入纖維中的超短纖提高了纖維表面的摩擦力，與基體樹(shù)脂結(jié)合時(shí)，吸附樹(shù)脂能力增強(qiáng)，與基體樹(shù)脂的粘結(jié)性能提高，單絲拔出強(qiáng)度提高了20~27%左右，通?？蛇_(dá)125n以上。本發(fā)明所述的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維可做為原料，通過(guò)平鋪法制成ud板，用于防彈衣的內(nèi)芯；或采用三維編織方法制成三維織物復(fù)合材料，可用于裝甲車(chē)的軟質(zhì)防彈體。本發(fā)明所述的超短纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合纖維可再進(jìn)行切割加工，用作水泥增強(qiáng)材料，當(dāng)纖維添加量為0.6~1.2kg/m3時(shí)，水泥復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度最大可達(dá)61.05mpa。當(dāng)前第1頁(yè)12