[发明专利]聚四氟乙烯的高强度纤维及其制造方法

说明书

本发明涉及强度为至少0.5GPa的聚四氟乙烯(以下称PTFE)的高强度纤维及其制造方法，还涉及强度为至少1.0Gpa的PTFE的超高强度纤维及其制造方法。

PTFE为氟树脂中的一种，而FEP(四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)、PFA(四氟丙烯-全氟烷氧基共聚物)和ETFE(四氟乙烯-乙烯共聚物)都包含在氟树脂中。

上述各种氟树脂均具有优异的耐热性，耐化学性，防水防潮性，电绝缘性能和无比的防粘性和表面耐磨性。在上述氟树脂中，PTFE具有最佳的耐热性，耐化学性和防水防潮性。因此PTFE纤维也具有与PTFE树脂本身的上述特征相同的较佳特征。PTFE由美国杜邦公司和日本Toray精细化学品公司制造并销售。对它们制造PTFE纤维的方法的详情尚不清楚，但由以上两公司制造的PTFE纤维的特征并无显著不同。

Smith等人(USP 2,776,465)公开了高度取向的四氟乙烯异型件及其生产方法。Smith等人介绍的PTFE纤维通过拉伸PTFE单丝而得到，而该PTFE单丝是通过在高于PTFE的结晶熔点的温度下进行热处理之后的糊料挤出而形成的。就以上操作步骤来说，Smith等人的公开与本发明一致。然而，Smith等人并未说明关于PTFE单丝自由端退火(FEA)的任何内容，而这一点是本发明的关键操作。因此，由Smith等人公开的方法得到的PTFE纤维的强度低至约2.4g/d(0.19GPa)(实施例1X)。

Katayama(USP 5,061,561)公开了包含四氟乙烯聚合物的纱制品及其生产方法。Katayama介绍的PTFE纤维的拉伸强度在4-8g/d(0.35-0.7GPa)的范围内(第五栏，28-32行)。然而，该PTFE纤维是通过在高于PTFE结晶体熔点的温度下拉伸包含作起始材料的细纤维连结成的结点的疏松PTFE材料而得到。因此，Katayama的PTFE纤维的获得方法与本发明全然不同。

原材料-疏松PTFE材料通过该文献(USP5,061,561)中第五栏第65行-第六栏第8行所述的方法得到。疏松的PTFE材料本身昂贵，因而由该疏松PTFE材料制造的PTFE纤维自然就更昂贵。

一般来说，PTFE纤维的机械强度比作为纤维的最大强度稍低。在各种氟树脂纤维中，PTFE纤维的机械强度(GPa)约为0.16，稍大于FEP(0.04)和PFA(0.07)，但低于ETFE(0.25)。

与由氟树脂以外的材料制备的普通纤维相比，机械强度存在显著差异，如高强度尼龙纤维(0.7)，高强度聚丙烯纤维(0.66)及高强度聚酯纤维(0.55)。

PTFE纤维的机械强度远低于其他普通纤维这一事实造成如下一个严重问题，即使得PTFE纤维不能在考虑到最优选特征如上述耐热性、耐化学性和防水防潮性的更宽应用领域得到应用。

此外，目前已经开发出高强度纤维或超高强度纤维，这些纤维由逐步提供各类品种的不同材料制备。尽管存在其他术语如高弹性或超高弹性纤维，但这些纤维几乎与以上高强度或超高强度纤维相似。因此，仅将高强度或超高强度纤维限制性地用于本说明书中作为包含高弹性或超高弹性纤维在内的术语。

对高强度或超高强度的一般定义尚未建立。但在本说明书中，把能保障机械强度约为0.5GPa的纤维称为高强度纤维，而把能保障机械强度至少为1GPa的纤维称为超高强度纤维。

通过按常规把原材料分成两类如弯曲链聚合物和刚性直链聚合物来考察高强度或超高强度纤维的原材料，认为只有三种聚合物如弯曲链聚合物的聚乙烯及刚性直链聚合物的芳族聚酰胺和聚烯丙基化物适于作原材料，此外，如果原材料局限于通用聚合物，则认为仅有聚乙烯合适。

作为商业产品，可使用芳族聚酰胺族的“Kevlar”(E.I.du Pontde nemours&Co.制造)和“Technola”(Teijin Co.制造)，聚烯丙基化物的“Vectran”(Kurare Co.制造)，以及聚乙烯族的“Dynima”(Toyobo Co.制造)，“Techmiron”(Mitsui Sekiyu Chemical Co.制造)和“Spectra”(Allied Chemical Corp.制造)。

上述商售(超)高强度纤维具有如下问题。首先，聚乙烯(超)高强度纤维的耐热性差。相反，芳族聚酰胺和聚烯丙基化物的(超)高强度纤维的耐热性优于聚乙烯，但在实际应用中很重要的防水性，尤其是防热水性通常较差，这是缩聚所得聚合物的共同缺陷。