超高分子量聚乙烯纤维的结构与性能

何正洋，潘志娟,2

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215123；2.现代丝绸国家工程实验室(苏州)，江苏 苏州 215123)

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

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

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。