目前，工業上製備超高分子（zǐ）量聚乙烯(PE-UHMW)纖維的方（fāng）法（fǎ）為凝膠紡絲法[1-2]。凝膠紡絲法雖然可以製備出高（gāo）強度和高模量的PE-UHMW纖維(其強度可以達到3.0 GPa)，但（dàn）是其缺點（diǎn）是在生（shēng）產過程中大量使用溶劑且生產成本很高，環（huán）境安全性（xìng）差[3-4]。熔體紡絲是一種工藝簡單、無溶劑、環（huán）境友好的紡絲方法[4-6]。與凝膠紡（fǎng）絲法相比（bǐ），熔（róng）體紡絲法製備PE-UHMW纖維最根本的區別在於其初生纖維的製備過程（chéng）。凝膠紡絲法首先（xiān）將PE-UHMW粉料（liào）溶解到適合的溶劑中（zhōng）(一般（bān）為十氫萘或礦物油)配成一定濃度的紡絲原液，使其具有流動性和可紡性，同時降低或（huò）解除了大分子鏈之間的纏結（jié）密（mì）度[7-8]，經（jīng）噴絲孔噴出後，獲得凝膠初生纖維。超高分子量聚乙烯樹脂由於是柔性鏈且分子量大，大分子鏈之間相互纏結（jié），所以流動性和加工（gōng）性能極差（chà），不能像低分子量的聚烯烴一樣進行熔體紡絲。但近年來，隨著研究者對PE-UHMW樹脂流動性改性的研究的不斷深入和製備低纏結PE-UHMW技術的發展，製備出了多種可用於熔體紡絲的PE-UHMW樹脂（zhī）[9-13]，這就為進行PE-UHMW的熔體（tǐ）紡（fǎng）絲研究提供了原料基（jī）礎。熔（róng）體紡絲法和（hé）凝膠紡絲（sī）法製備出的初生纖維強度都較低，都（dōu）要經過拉伸才能成為成品纖維。對柔性聚合物纖（xiān）維而言，超高倍拉伸是（shì）獲得高強度高模量纖維的必備途徑[14-16]。纖維的有效拉伸倍率（lǜ）越高其力學性（xìng）能也越高。超倍拉伸的目的是最大限度地將初生（shēng）纖維中的低結晶度、低取向的折疊鏈片晶轉變為高度結晶、高度取向的伸直（zhí）鏈結晶，從而獲得高強度（dù）的PE-UHMW纖維  。因此（cǐ）  ，選擇合適的拉伸工藝條件（jiàn），獲得最大的有（yǒu）效拉伸倍率是製備高強度纖維的前提條（tiáo）件。筆者采用熔體紡絲法（fǎ），以高流動性、低纏結密（mì）度的PE-UHMW為原料製備出具有（yǒu）可拉伸性的初生（shēng）絲  ，以獲得最大拉伸倍（bèi）率和最大拉伸強度的PE-UHMW纖維為目標，對熔體紡絲製備出的PE-UHMW初生絲纖維進行一級超倍拉伸做初步（bù）的（de）研（yán）究，對影響纖維超倍拉伸的因素，如拉伸溫度、拉伸介質、拉伸速度等進行（háng）分析

1、實驗（yàn）部分

1.   1 主要原材料改（gǎi）性高流動性PE-UHMW樹脂  ：B1600，黏均分子（zǐ）量為150萬，熔體流動速率為5  g/10  min (溫度190 °C，負荷2.16 kg)

1.2 儀器及設備轉矩流變儀：RM-200A 型，哈爾濱哈普電氣技術有限責任公司；萬能電子材料試（shì）驗機：GT-AI7000S型，中國台灣高鐵檢（jiǎn）測儀（yí）器（qì）有限公司；場發射掃描電子顯微（wēi）鏡(FESEM) ：FEI  Nano SEM450型，美國賽默飛（fēi）世爾公司（sī）；拉伸實驗設備主要有送絲機、溶劑(水或矽油)浴（yù）槽  、牽引機和收絲機組成。其中浴槽（cáo）由箱體（tǐ）、加熱設備和溫控設備（bèi）組成。初生絲在溶劑浴槽內完成高倍熱拉伸，浴（yù）槽內部加熱（rè）介質溫度可調且保持溫度上、下波動不超（chāo）過0.1 °C，由牽引機和收絲機控製拉伸速度。

1.3 初生絲製備（bèi）將PE-UHMW樹脂顆粒在60 °C的恒（héng）溫幹燥箱中幹燥6 h，在轉矩（jǔ）流變（biàn）儀上熔融擠出，其中單絲（sī）機頭的直徑為1 mm，冷卻方式為空（kōng）氣冷卻，調節適當的擠出速度和牽（qiān）引機（jī）的牽引速度進行預牽伸，獲（huò）取理想直徑且（qiě）表（biǎo）麵光滑（huá）的（de）初（chū）生絲。初生絲製備流程圖如圖1所示。

為了獲得表麵光（guāng）滑，結構（gòu）均勻的初生絲，在工藝上做了以下考慮：轉矩流變儀有三個加熱區，加熱溫度越高，PE-UHMW樹脂的（de）流動性越好，擠出速度越快，但（dàn）是考慮到過高的加熱溫度會導致PE-UHMW的降解，影響初生絲最終的可拉伸性，因而根（gēn）據（jù）實驗結果，三個加熱區（qū）的溫度（dù）分別設（shè）定為：1區160 °C，2區230 °C，3區270 °C，單（dān）絲機頭加熱溫度為260 °C；螺（luó）杆轉速為2 r/min，過快易產（chǎn）生熔體破裂現象  。實驗表明，由於擠出膨大效應，噴絲孔的直（zhí）徑為1 mm，不經預拉（lā）伸的初生絲的直（zhí）徑大約（yuē）為1.2mm。初生絲直徑越大，在後續（xù）的高（gāo）倍拉伸過程中（zhōng），由於受熱不均勻，會影響最終的拉（lā）伸性能；預拉伸倍率過高（gāo），會造成斷（duàn）絲現象，不利於連續生產（chǎn）。根據（jù）現（xiàn）場試（shì）驗數據，選（xuǎn）擇6倍（bèi）的預拉伸倍率較為合適（shì），獲得直徑約為450 μm的表麵光滑的初生絲，如圖2所示

1.4 測試與表征力學性能測試：使用電子萬能試驗機，依據GB/T    14337-2022，測定纖維（wéi）的斷裂強度（dù）。測試夾距200 mm，拉伸速度為50 mm/min。每組樣品測試5次，取平均值。FESEM觀察  ：纖維采用鍍鉑金處理，加速電壓5 kV，觀察纖維表麵形貌。

2 、結果與討論（lùn）

2.1 拉伸介質的選擇工業上，凝膠紡（fǎng）絲法製備PE-UHMW纖維的一級拉伸的拉伸溫（wēn）度一般低於100 °C。所以既可以選擇（zé）油浴也可以（yǐ）使用水浴作為（wéi）拉伸介質。為了驗證何種介質更好，進行了如（rú）下實驗：使用（yòng）直徑為450 μm，初生拉伸倍率為6倍的初生絲  ，在長2 m的浴槽中進行水浴和矽油浴拉伸（shēn）。溫度均（jun1）為90 °C，拉伸速度設為1 m/min，分別獲得不同拉伸倍率的PE-UHMW纖維  。測試其不同介質下不同拉伸（shēn）倍率的纖維的力學性能，結果見圖3。由圖（tú）3可以看到，在同樣的拉伸倍數，工（gōng）藝條件下，在矽油浴中（zhōng）拉伸得到的（de）PE-UHMW纖維（wéi）強度明顯高於（yú）在（zài）水浴條（tiáo）件下拉伸得到的纖維。原（yuán）因可能在於，水的傳熱係數為0.5 W/(m2·K)比矽（guī）油的傳熱係數0.92 W/(m2·K)小。采用水浴加熱進行拉伸，很容易導致皮熱芯（xīn）冷的現象，這樣造成纖維（wéi）表（biǎo）麵和纖維內部受（shòu）熱不均勻，可能造成（chéng）初生絲表麵（miàn）溫度過高，同時初（chū）生絲（sī）內部溫度還（hái）沒有達到（dào）熱變形溫度以（yǐ）上，這樣的拉伸對初生絲纖維內（nèi）部來說隻是單純的應力（lì）拉伸（shēn），會導致缺陷產生（shēng），從而導致絲的強度低。矽油傳熱係數高、絲的傳熱時間短，初生絲纖維的（de）表皮和內部同時達到熱變形溫度。在拉伸（shēn）的過程（chéng）中是整根纖維（wéi）被拉伸，從而形成均勻的（de）結構，因此獲得的成品纖維強度也較高。使用同（tóng）等品質的初生絲，分別在（zài）水浴和（hé）油（yóu）浴進（jìn）行加熱拉伸，拉伸溫度（dù）都為90 °C，拉伸倍數為（wéi）40倍，采用FESEM進行觀察，如圖4所示  。從圖4可以（yǐ）看到兩種纖維表麵（miàn）有很大的不同。在水浴介質中，拉伸（shēn）後的纖維表麵比較（jiào）粗糙，而且在拉伸方向有很多溝壑（hè）。初步分析是因為形成皮熱芯冷局部拉伸過度造成的。油浴介（jiè）質中拉伸則基本無此類現象。因此選用矽油（yóu）浴作為拉伸介質更好。

2.2 拉伸溫度的選擇工業上，凝膠紡絲法製備PE-UHMW纖（xiān）維的一級（jí）拉伸的拉伸溫度一般低於100 °C，PE-UHMW熱變形溫度為85 °C(0.46 MPa)左右  ，因此（cǐ）為（wéi）了（le）獲得一個最佳的拉（lā）伸溫度，實驗中選擇一個溫度區間70～100 °C，進行一（yī）係列的拉伸（shēn）實驗。實（shí）驗過程如下：使用直徑為450 μm，初生拉伸倍率為6倍的初生絲  ，在長2 m的槽中進行（háng）拉伸。拉伸介質為矽油（yóu），拉伸速度設（shè）定為1 m/min，拉伸（shēn）溫度為70～100 °C(每間隔5 °C做一（yī）批樣品)測定其不同拉伸（shēn）溫度下所獲得的PE-UHMW纖維的最大拉伸倍率和最大拉伸性能，結（jié）果見圖5和圖6。圖5為初生絲在油（yóu）浴條件下拉伸溫（wēn）度與（yǔ）最大（dà）拉伸倍率的關係曲線。從圖5可以看出，最大拉伸倍率與（yǔ）拉伸溫度的關係（xì）可以分為明顯的兩個階段，第一個階段，隨著溫度的提高，初生絲的最大拉（lā）伸倍率一直在線性提高，從最初70 °C時的最大拉伸倍率為50倍左右逐漸（jiàn）提高（gāo）到90 °C時的最大拉（lā）伸倍率62倍左右；第二個階段，隨著拉伸溫度（dù）的進一步提高，初生絲的最大（dà）拉伸倍率開始降低（dī），當拉伸溫度升高到100 °C時，其最大（dà）的拉伸倍率降低到了50倍以下。這說（shuō）明，初生絲在一級拉伸階段（duàn）如果要獲得最大拉伸倍率應有個最佳的拉伸溫度，由圖5可知這（zhè）個最佳的拉伸溫度在90 °C附近。

圖6為初生絲在油浴條件下拉伸溫度與最大拉伸強度的關係曲線。從圖6可以看到，最大拉伸強度（dù）隨著拉伸溫度的變化趨（qū）勢和最大拉伸倍率的變化趨勢基本一致，同樣也是在拉伸溫度為90 °C條件下，纖維獲得最大（dà）的拉伸強度。這（zhè）再次說明了有效的拉伸倍（bèi）率越高，其獲得的纖維的力學性能越好

分析其原因可（kě）能在於，PE-UHMW分子鏈較長，雖然（rán）經過改性（xìng）後（hòu）纏結密度有所降低，但是在非晶區的（de）PE-UHMW大分子之間還是相互纏結，這部分PE-UHMW分子稱為縛結分子，縛結分子的作用為連接相鄰的折疊（dié）鏈晶（jīng）區。使這些縛結分（fèn）子被（bèi）拉（lā）直而（ér）形成（chéng）伸直鏈結晶，不僅需要拉伸提供的張應力作用（yòng），而且還需要一定的溫度使得大分子鏈（liàn）獲得足夠的能量，從而具有發生較大形變的運動能力。因（yīn）此（cǐ），存在一個（gè）最佳的拉伸溫度（dù），溫度過（guò）低則不能使大分子鏈獲得足夠的能量，溫（wēn）度過高（gāo）則會造成大分子（zǐ）鏈之間的無效滑移，在纖維內部形成缺陷（xiàn），從而導致有效拉伸倍率不高（gāo）。同時  ，由於大分子鏈（liàn）之間的滑移會造成縛結分子之間張力不高，折疊鏈結晶（jīng）的PE-UHMW分子無（wú）法獲得足夠的拉力使其在（zài）拉伸方向發生取向（xiàng），無法形成伸直鏈結晶的PE-UHMW分子，從而導致拉伸強度不高。

2.3 拉伸速度的（de）選擇與一般（bān）的熔紡（fǎng）纖維（wéi）相比，PE-UHMW樹脂的（de）分子量大，分（fèn）子鏈之間的纏結密度高。理論上，熔紡PE-UHMW纖維的拉伸速度可（kě）能較低。因此選擇拉伸速度在0.2～4 m/min之間進行一係列的拉伸實驗。實驗過程如下：實驗過程中，拉伸溫度設為90 °C，將直徑為450 μm的初生絲一端固定，另一端的牽引機以不同的拉伸速度拉伸纖（xiān）維直至斷裂。不同拉伸速度下的纖維最大拉伸倍數與拉伸強度關（guān）係曲線見圖7和圖8。圖7是初生絲在油浴條件下最大拉伸倍率與拉伸速度的關係曲線，由圖7可見  ，初生絲最大（dà）拉伸倍（bèi）率與拉（lā）伸速度的（de）關係可以分為明顯的兩個階段（duàn），第一個階段，當拉伸速度小於1 m/min的條件下，初生絲的最大拉伸倍率基本不變，保持在62倍左右。第（dì）二個階段（duàn），隨（suí）著拉伸速度的進一步提高，初生絲（sī）的最大拉伸倍率開始降低，並保持線性關係，當拉伸速度升高到4 m/min時，其最大的拉伸倍率降（jiàng）低到了40倍以下。這說（shuō）明，初（chū）生絲在一級拉伸階段如果要獲得最大拉伸倍率，則拉伸速度不能大於1  m/min。

圖（tú）8是油浴條（tiáo）件下纖維最大拉伸強度與拉伸速度的關係曲線圖。由（yóu）圖（tú）8可見（jiàn），纖維最大拉伸強度隨著拉伸速（sù）度的變化（huà）趨勢和最大（dà）拉伸倍率（lǜ）的變化趨勢基本一致，當拉伸（shēn）速度小於1 m/min的條件下，初生絲的最（zuì）大拉伸強（qiáng）度基本不變，保持在1.2 GPa左右  。第二個階段，隨著拉伸速度的進一步提高，初（chū）生絲的最大拉（lā）伸強度開始迅（xùn）速降低這再次說明了有效的拉伸（shēn）倍率越高，纖維的最終強度（dù）越高（gāo）。分析其原因可能（néng）在於，在一（yī）定的拉伸應力和溫度作用下，纖維內部的（de）PE-UHMW大（dà）分子，通（tōng）過分子運動的方式，從一種平衡態過渡到另（lìng）一種與外（wài）界條件相適應的新（xīn）的平衡態總（zǒng）是需要一定時間（jiān）的，這種（zhǒng）現象（xiàng）也被稱作大分子運動的時間依賴性。其原因在於（yú）大分子鏈（liàn）是由多個鏈段或者鏈節構成的，這些鏈段（duàn）或者鏈節的運動需要克服內摩擦阻力，是不能瞬時完成的。纖維（wéi）中PE-UHMW大分子鏈較長且相互纏結，要使連接相鄰折疊鏈晶區的（de）非晶區縛結分子解開纏結（jié），被拉直（zhí）靠攏形成伸直鏈結晶，除了在拉伸溫度和拉伸應力的作（zuò）用下，還需要有（yǒu）一定時間進行解纏結，拉伸速度（dù）過快會造成纖維內部PE-UHMW大分子的應變跟不上應力的變化，導致PE-UHMW大分子鏈之（zhī）間的解纏結不完全；另外  ，拉伸速度過快，還會造成纖維內部折（shé）疊鏈片晶來不及旋轉  、取向  。最終都（dōu）會導致纖維（wéi）最（zuì）終的拉伸（shēn）倍率和力學性能的降低。

3、結（jié）論采用高流動性、低纏結密度PE-UHMW樹脂為原料  ，使用熔體紡絲法成功製備出表麵光滑且具有高倍拉伸性能（néng）的PE-UHMW纖維初生絲，並使用（yòng）該初生絲對拉伸工藝（yì）進行了（le）研究，得出以下結論：使用轉矩流變儀，三個（gè）加熱區的溫度（dù）分別設（shè）定為：1區160 °C，2區230 °C，3區270 °C，單絲機頭加熱（rè）溫度為260 °C；螺杆轉速為2 r/min，預拉伸倍率在6倍左右，製備（bèi）出表麵光滑具有高倍拉伸性能的直（zhí）徑為450 μm的初（chū）生絲。以獲得最大有效（xiào）拉（lā）伸倍率和（hé）最大拉伸強度為目的（de）  ，對拉伸工藝進行了研究，研究表明（míng）：采用濕拉伸的方法，相比於水浴，油浴（yù）條（tiáo）件下纖維可以獲得更高的最大有效拉伸倍率和力（lì）學性能。存（cún）在一（yī）個（gè）最佳的拉伸溫度，即90 °C附（fù）近時，PE-UHMW纖維可以獲得最大拉伸倍率以及最好的力學性能。拉伸速度小於1 m/min情況下，纖（xiān）維獲得的最大（dà）拉伸倍率基本（běn）不變，當拉伸速（sù）度繼續增加時，其最（zuì）大拉伸倍率迅速下（xià）降（jiàng）。在目前獲（huò）得的最佳拉（lā）伸（shēn）工藝（yì）條件下可（kě）製備出強度為1.2 GPa的PE-UHWM纖維（wéi）。

摘要選材：工程塑料（liào）應用

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