[发明专利]低蠕变、高强度UHMWPE纤维及其制造方法

说明书

本申请是发明专利申请第200880110448.1号的分案申请，原申请的申请日为2008年10月06日、最早优先权日为2007年10月05日，原申请的发明名称为“低蠕变、高强度UHMWPE纤维及其制造方法”。

本发明涉及一种用于制造具有高拉伸强度以及改善蠕变速率的凝胶纺丝超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的方法并且涉及由上述方法制成的凝胶纺丝UHMWPE纤维。由上述方法制成的凝胶纺丝UHMWPE纤维可用在各种应用领域中。本发明具体涉及含有所述UHMWPE纤维的绳索、医疗器械、复合制品和防弹制品。

例如由EP 1,699,954已知用于制造具有高韧性以及改善的耐蠕变性的凝胶纺丝UHMWPE纤维的方法，该方法包括如下步骤：

a)制备UHMWPE在溶剂中的溶液，所述UHMWPE在135℃下、十氢化萘中具有至少5dl/g的特性粘度；

b)使步骤a)的溶液通过含有多个喷丝孔的喷丝头喷丝到空气隙中，从而形成流体细丝；

c)使所述流体细丝冷却，从而形成含有溶剂的凝胶细丝；和

d)从所述凝胶细丝中至少部分除去溶剂，从而形成固体细丝，此后和/或同时拉伸所述固体细丝。

具体地，EP 1,699,954的方法使用每1000个碳原子上具有至多3个短C1-C4烷侧基(优选甲基)的UHMPWE。所得UHMWPE具有低至1×10^-6sec^-1的蠕变速率和高达4.1GPa的拉伸强度，所述蠕变速率在70℃、600MPa的负载下测定。

还已知的是，UHMWPE纤维的蠕变速率的降低可以采用其中使用高支化UHMWPE的凝胶纺丝工艺得以实现，这种高支化UHMWPE即为具有比甲基分枝更长分枝(例如为乙基、丙基等)或者具有大量上述分枝或其组合的UHMWPE。然而，所述高支化聚乙烯会损害纺成的UHMWPE纤维的拉伸性能，因此制成具有不良拉伸性能的纤维。

另一方面已知的是，通过使用较低支化的UHMWPE(即具有更多线性构形的聚乙烯，这意味着分枝少或分枝短，例如甲基分枝)可以制成具有改善拉伸性能的纤维。然而，这些纤维具有不佳的蠕变性质。

由此可见，由于蠕变性和拉伸性能不是同时兼得的性能，所以本领域普通技术人员无论如何不会尝试获得具有低蠕变速率和高拉伸强度的UHMWPE纤维。

因此，本发明的目的在于满足对具有高拉伸强度和低蠕变速率的组合的UHMPWE及其制备方法的需求，这种组合是现有UHMWPE纤维中的任意一种无法满足的。

本发明的目的通过如下的用于制造凝胶纺丝UHMWPE纤维的方法得以实现，该方法具有如下特征：所述UHMWPE每1000个碳原子中包含0.1至1.3个甲基侧基和0.08至0.6个甲基端基；以及总拉伸比(DR_总体＝DR_流体×DR_凝胶×DR_固体)为至少7000，附加条件是：所述流体拉伸比DR_流体＝DR_sp×DR_ag为至少100，其中，DP_sp是喷丝孔中的拉伸比，DR_ag是空气隙中的拉伸比。

“甲基端基”在本文中被理解为对应于UHMWPE链的末端和UHMWPE链的长链分枝(LCB)的末端的甲基。“LCB”在本文中被理解为比乙基长的分枝，例如丙基、丁基、己基和更长的分枝。

令人惊讶地，本发明人发现，采用本发明的方法得到的新型UHMPWE纤维与迄今为止得到的任何UHMWPE纤维相比具有更好的蠕变速率和拉伸强度的组合。

本发明人还惊讶地观察到：可以在本发明的方法中向纺成的纤维施加比向通过已知凝胶纺丝工艺制成的UHMPWE所施加的DR_总体或比现有技术中先前报道的DR_总体都高的总拉伸比(DR_总体)，而不会出现断裂。“DR_总体”在本文中被理解为施加到流体纤维、凝胶纤维和固体纤维上的拉伸比的乘积，即DR_总体＝DR_流体×DR_凝胶×DR_固体。