ВОЛОКНО ИЗ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА СО СВЕРХВЫСОКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ РЕЗАНИЮ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
FIBER OF ULTRAHIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE WITH ULTRAHIGH CUTTING RESISTANCE AND ITS PRODUCTION METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к технологии полиэтиленовых волокон и, более конкретно, к волокну из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию и способу его получения.
Уровень техники
Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена - это волокно с самой высокой удельной прочностью среди современных промышленных волокнистых материалов. Оно обладает превосходными свойствами, такими как высокая прочность, высокий модуль упругости, стойкость к истиранию и химическая стойкость, и широко используется в сфере национальной обороны и военного назначения, при производстве морских кабелей и средств индивидуальной защиты. По мере протекания военно-гражданской интеграции волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена становятся все более доступными на гражданском рынке. Порезостойкие перчатки, изготовленные из волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена, постепенно занимают лидирующие позиции на гражданском рынке. В настоящее время защитные перчатки, изготовленные из широко используемых волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена 400D, имеют в большинстве своем уровень сопротивления резанию 3 согласно стандарту EN388-2003. Этот уровень крайне нестабилен. Таким образом, защитные перчатки становятся все более непригодными и не обеспечивают достаточной защиты в реальных эксплуатационных условиях, при которых возникает опасность порезов.
Общеизвестный способ повышения сопротивления резанию перчаток заключается в смешивании и сплетении материалов, таких как стекловолокно или стальная проволока, с волокном из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. И хотя изготовленные данным способом перчатки достигают повышенного сопротивления резанию, перчатки становятся неудобными из-за добавки этих материалов. С одной стороны, стальная проволока относительно тверда, и поэтому перчатки неудобны. С другой стороны, стекловолокно является относительно хрупким, легко ломается и выходит на поверхность, поэтому перчатки неудобны. Кроме того, заусенцы из стекловолокна могут стать косвенной причиной поражения рук, такого как зуд, покалывание и царапины.
В настоящее время специалисты данной отрасли предложили, что высокомолекулярные зарождающиеся полиэтиленовые волокна могут быть получены путем смешения неорганических высокопрочных материалов с порошком высокомолекулярного полиэтилена для повышения сопротивления резанию полиэтиленовых волокон. Подтверждено, что данный метод повышает сопротивление резанию полиэтиленовых волокон, однако существуют два очевидных недостатка: (1) Данные неорганические высокопрочные материалы имеют относительно высокую твердость, что вызывает серьезный износ производственного оборудования. Компоненты и части оборудования требуют частой замены, что увеличивает инвестиции в оборудование и влияет на эффективность производства. (2) Опыт практического использования показывает, что данные высокопрочные материалы склонны прокалывать матрицу из полиэтиленовых волокон из-за их низкой пластичности и выходить из полиэтиленовых волокон, вызывая повреждение поверхности полиэтиленовых волокон и, таким образом, потерю сопротивления резанию.
Сущность изобретения
1. Решаемые технические задачи изобретения
Таким образом, волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию и способ его получения направлены на решение задач, существующих в предшествующем уровне техники. Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию может быть вплетено в порезостойкие перчатки, защитную от порезов одежду и т.д., обеспечивая таким образом высокие защитные характеристики и комфорт при носке, избегая истирания и повреждения производственного оборудования, обеспечивая экономию производственных затрат и продление срока службы порезостойких перчаток или защитной от порезов одежды.
2. Технические решения
Для решения вышеописанной задачи, основными техническими решениями, предлагаемыми настоящим изобретением, являются следующие:
В одном аспекте настоящего изобретения предложено волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, включающее матрицу из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и частицы порошка углеродного волокна, диспергированные в нем с содержанием частиц порошка углеродного волокна 0,25-10 мас. %.
Как правило, но не ограничиваясь этим, содержание порошка углеродного волокна в матрице сверхвысокомолекулярного полиэтилена составляет 0,25 мас. %, 0,5 мас. %, 1 мас. %, 1,2 мас. %, 1,5 мас. %, 2,0 мас. %, 2,5 мас. 3,0 мас. %, 3,5 мас. %, 4,0 мас. %, 4,5 мас. %, 5,0 мас. %, 5,5 мас. %, 6,0 мас. %, 6,5 мас. %, 7,0 мас. %, 7,5 мас. %, 8,0 мас. %, 8,5 мас. %, 9,0 мас. %, 9,5 мас. % или 10,0 мас. %.
Чрезмерно высокое содержание частиц порошка углеродного волокна приводит к низкому относительному удельному весу полиэтиленовой матрицы, следовательно, полученное полиэтиленовое волокно менее пригодно для прядения (легко ломается при плетении). Но при этом чрезмерно низкое содержание частиц порошка углеродного волокна не может обеспечить требуемые улучшенные характеристики устойчивости резанию.
Настоящее раскрытие изобретения также относится к способу получения сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию, включающему:
S1: смешение и эмульгирование частиц порошка углеродного волокна с первым растворителем и поверхностно-активным веществом (ПАВ) для получения эмульгированного материала из порошка углеродного волокна;
S2: диспергирование эмульгированного материала из порошка углеродного волокна и порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой от 200000 до 6000000 во втором растворителе с получением смеси; и
S3: смешение и экструдирование смеси через экструдер, охлаждение и формование в высадительной ванне для получения зарождающегося волокна, экстракция, сушка и многостадийная термовытяжка зарождающегося волокна для получения сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию.
Как правило, но не ограничиваясь этим, молекулярная масса сверхвысокомолекулярного полиэтилена составляет 200000, 400000, 600000, 800000, 1000000, 1200000, 1400000, 1600000, 1800000, 2000000, 2200000, 2400000, 2600000, 2800000, 3000000, 3200000, 3400000, 3600000, 3800000, 4000000, 4200000, 4400000, 4600000, 4800000, 5000000, 5200000, 5400000, 5600000, 5800000 или 6000000.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения частицы порошка углеродного волокна имеют диаметр 0,1-10 мкм и длину 0,1-100 мкм. Кроме того, частица порошка углеродного волокна имеет форму длинного стержня с длиной больше диаметра. Более предпочтительно длина составляет 20-60 мкм. Как правило, но не ограничиваясь этим, длина частицы порошка углеродного волокна составляет 20-30 мкм, 30-40 мкм, 40-50 мкм или 50-60 мкм.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения основным компонентом частиц порошка углеродного волокна является микрокристаллический графит, причем частицы порошка углеродного волокна могут быть получены путем измельчения отработанных углеродных волокон или разрезания нитей углеродного волокна.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения частицы порошка углеродного волокна активируют путем предварительной обработки поверхности. В результате возможно улучшить поверхностную гомогенизацию смеси и/или смачиваемость частиц порошка углеродного волокна с растворителем и сверхвысокомолекулярным полиэтиленовым порошком, получая таким образом полиэтиленовое волокно со сверхвысоким сопротивлением резанию с равномерным распределением материала и улучшенными и более стабильными эксплуатационными свойствами.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ обработки поверхности представляет собой любой один или комбинацию по меньшей мере двух методов, выбранных из группы, включающей: газофазное окисление, жидкофазное окисление, каталитическое окисление, покрытие связующим агентом, полимерное покрытие и плазменную обработку. Вышеуказанная обработка поверхности позволяет слабо поляризировать поверхность частиц углеродного волокна, предотвращая агломерацию углеродных волокон в растворителе и улучшая диспергирование углеродных волокон в растворителе. Таким образом, частицы углеродного волокна могут быть более равномерно распределены в сверхвысокомолекулярной полиэтиленовой матрице и тесно объединены со сверхвысокомолекулярной полиэтиленовой матрицей, тем самым предотвращая отслаивание углеродных волокон и улучшая однородность и надежность волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения массовое соотношение сверхвысокомолекулярного полиэтилена, порошка углеродного волокна и растворителя составляет (10-40):(0,1-1):100. Масса растворителя равна сумме масс первого растворителя и второго растворителя.
В соответствии с указанным выше массовым соотношением получают пастообразную смесь, и порошка углеродного волокна, диспергированного в смеси, достаточно для того, чтобы получить относительно хорошее сопротивление резанию. Следует отметить, что в настоящем изобретении первый растворитель и второй растворитель отличаются применением на разных этапах использования растворителей, что не означает, что первый растворитель и второй растворитель различны. Другими словами, первый растворитель и второй растворитель могут быть как одним и тем же растворителем, так и разными растворителями.
Предпочтительно, как для первого, так и для второго растворителя выбирать один или несколько растворителей из группы, состоящей из беленого масла, минерального масла, растительного масла, парафинового масла и декалина.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения молекулярная масса сверхвысокомолекулярного полиэтилена составляет 2000000-5000000.
Чем больше молекулярная масса сверхвысокомолекулярного полиэтилена, тем выше сопротивление резанию и механическая прочность. Однако сверхвысокая молекулярная масса приводит к сверхвысокой вязкости, поэтому в процессе экструдирования затрудняется получение филаментных нитей волокна, а производственное оборудование является очень точным и весьма безвозвратно расходуемым. После многократных испытаний устойчивые резанию филаментные нити полиэтиленового волокна с молекулярной массой 2000000-5000000 обладают наилучшими характеристиками по всем показателям и способствуют снижению износа оборудования.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения экструдер представляет собой двухшнековый экструдер, и температуру каждой зоны двухшнекового экструдера регулируют в диапазоне 100-300°С.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения поверхностно-активным веществом является алкилоламид (Ninol 6502), который представляет собой слабое неионогенное ПАВ, полученное в результате реакции конденсации кокосового масла или пальмового масла и диэтаноламина. В другом варианте, поверхностно-активным веществом может выступить алкилоламидфосфатный эфир. Данные ПАВ, обладающие способностью к солюбилизации, эмульгированию и антистатическому кондиционированию и не вызывающие раздражения кожи, часто используют, в том числе, в качестве моющих средств, средств для ухода за одеждой. Очевидно, что выбор ПАВ не ограничивается перечисленными выше, и может быть выбрано любое ПАВ, способное к эмульгированию и повышению степени диспергирования порошка углеродного волокна в растворителе, такое как стеариновая кислота, додецилбензолсульфонат натрия, алкилглюкозид (APG), триэтаноламин, глицериды жирных кислот, сложные эфиры сорбитана и жирных кислот (Span), полисорбат (Tween), диоктилсукцинат сульфонат натрия (Aloseau-OT), натриевая соль гликохолевой кислоты и другие.
Настоящее изобретения относится к волокну из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, которое получают способом, описанным в любом из приведенных выше вариантов осуществления.
Настоящее раскрытие изобретения также относится к перчаткам или элементу одежды со сверхвысоким сопротивлением резанию, включая трикотажное полотно, сотканное из сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию в любом из указанных выше вариантов осуществления, или полученное любым способом, описанным в любом из приведенных выше вариантов осуществления.
Углеродное волокно (УВ) в форме микрокристаллического графитового материала представляет собой новый волокнистый материал, имеющий высокую прочность и высокий модуль упругости с содержанием углерода, равным или более 95%. Углеродное волокно является мягким снаружи и твердым внутри, более легкое чем металлический алюминий, но с прочностью выше, чем у стали, и имеет высокую коррозионную стойкость и высокий модуль упругости. Углеродное волокно обладает характеристиками, присущими углеродным материалам, а также обладает мягкостью и способностью к переработке текстильных волокон, представляющих собой новое поколение армирующих волокон. Основными характеристиками углеродного волокна являются следующие: (1) мягкость и способность к переработке текстильных волокон; (2) предел прочности на растяжение более 3500 МПа; (3) модуль упругости при растяжении в диапазоне от 230 ГПа до 430 ГПа.
Плазменная обработка поверхности: в устройстве для плазменной обработки поверхности используют низкотемпературную плазму, которая находится в нетермодинамическом равновесном состоянии. Электроны обладают более высокой энергией и способны разрушать химические связи молекул на поверхности материала и улучшать химическую реакционную активность частиц (больше, чем у высокотемпературной плазмы), тогда как температура нейтральных частиц близка к комнатной температуре. Эти преимущества обеспечивают подходящие условия для модификации поверхности термочувствительных полимеров. Посредством низкотемпературной плазменной обработки на поверхности материала происходят различные физические и химические изменения. Поверхность очищается, и удаляются углеводородные загрязнения, такие как смазка и вспомогательные добавки. Или же поверхность делают шероховатой травлением с образованием плотно сшитого слоя, или обрабатывают кислородсодержащими полярными группами (такими как гидрокси и карбокси группы). Данные группы способствуют адгезии различных материалов для формирования покрытия, которое оптимизировано при нанесении клея и краски.
3. Преимущества изобретения
Преимущества настоящего изобретения заключаются в следующем.
(1) В настоящем изобретении порошок углеродного волокна используют в качестве добавки для диспергирования в матрице сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна, в результате чего получают волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию. По сравнению с предшествующим уровнем техники, в котором перчатки изготавливают путем смешения и плетения таких материалов, как стекловолокно и стальная проволока, со сверхвысокомолекулярным полиэтиленовым волокном, перчатка или ее заготовка, сотканная из сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысокой стойкостью резанию, раскрытая в настоящем изобретении, обеспечивает больший комфорт при носке, проявляющийся в ощущении мягкости, отсутствии таких проблем, таких как занозы, зуд, царапание и т. д., а также в простоте носки и т.д.
(2) По сравнению с другими неорганическими материалами высокой твердости, такими как нитрид бора и карбид вольфрама в качестве усиливающих добавок, порошок углеродного волокна, используемый в настоящем изобретении, не снижает стойкость резанию растущего сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна, а также может снизить износ оборудования, затраты на оборудование и производство и не оказать негативного влияния на эффективность производства из-за относительно низкой твердости и относительно высокой вязкости углеродного волокна при смешении и прессовании порошка углеродного волокна со сверхвысокомолекулярным полиэтиленовым порошком для производства сверхвысокомолекулярного полиэтиленового растущего волокна. Кроме того, порошок из углеродного волокна обладает повышенной прочностью и мягкостью, поэтому поверхность матрицы из сверхвысокомолекулярного полиэтилена трудно проколоть и вызвать повреждение волокна. Следовательно, порошок из углеродного волокна может удерживаться в матрице из полиэтиленового волокна в течение более длительного периода времени, что позволяет износостойкому полиэтиленовому волокну иметь более продолжительное сопротивление резанию.
(3) Кроме того, в настоящем изобретении при изготовлении сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию порошок углеродного волокна предварительно подвергают обработке ПАВ, чтобы улучшить степень диспергирования порошка углеродного волокна и предотвратить агломерацию в растворителе. Далее порошок углеродного волокна сначала превращают в добавочный эмульгированный материал, а затем диспергируют в растворителе вместе с порошком сверхвысокомолекулярного полиэтилена для получения смеси. Шнековый экструдер используют при смешивании и экструдировании смеси для получения зарождающегося волокна, что позволяет однородный и чрезвычайно стабильный порошок из углеродного волокна оплавлять в матрицу из волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена и смешивать с волокном из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для образования стабильного твердого вещества, так что сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно выступает в качестве твердого диспергатора для порошка углеродного волокна, и в результате получают сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно с лучшим сопротивлением резанию, более высокой однородностью и лучшим качеством.
Таким образом, волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, предусмотренное настоящим изобретением, значительно повышает сопротивление резанию полиэтиленовых волокон, и уровень сопротивления резанию вязаных перчаток и других тканных материалов может достичь и поддерживать стабильный уровень 5 согласно стандарту EN388-2003. Что более важно, сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно со сверхвысоким сопротивлением резанию, полученное в соответствии с настоящим изобретением, не нуждается в смешении со стальной проволокой, стекловолокном и другими армирующими материалами. Полученная защитная перчатка является мягкой, легкой, чувствительной и не склонной к усталостным изменениям при длительной носке, обеспечивая как сверхвысокое сопротивление резанию, так и комфорт при носке.
Осуществление изобретения
Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения через конкретные варианты его реализации для облегчения понимания и иллюстрации настоящего изобретения.
Общая концепция настоящего изобретения заключается в следующем: Определенное количество порошка углеродного волокна используют в качестве одного из исходных материалов для получения сверхвысокомолекулярного полиэтиленового зарождающегося волокна. Частицы порошка углеродного волокна однородно и стабильно вводят в матрицу из сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна и объединяют со сверхвысокомолекулярным полиэтиленовым волокном с образованием стабильного твердого вещества с получением волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию. По сравнению с другими неорганическими армирующими материалами высокой твердости углеродное волокно имеет несравнимую характеристику, т.е. «мягкость снаружи и твердость внутри». Углеродное волокно может заменить другие неорганические армирующие материалы высокой твердости для обеспечения сверхвысокомолекулярным полиэтиленовым волокнам высокого сопротивления резанию. Кроме того, углеродное волокно имеет значительные преимущества в снижении износа оборудования и предотвращении прокалывания матрицы из сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна при многократном использовании, что обычно приводит к снижению сопротивления резанию.
Предпочтительно конкретный способ получения согласно настоящему изобретению можно выполнять в соответствии со следующими этапами:
(1) Приготовление порошка из углеродного волокна:
Частицы порошка углеродного волокна предпочтительно должны иметь форму стержня диаметром 0,1-10 мкм и длиной 0,1-100 мкм; и более предпочтительно длиной 20-60 мкм.
Основным компонентом порошка углеродного волокна является микрокристаллический графит, который можно получить путем дробления и просеивания отработанных углеродных волокон или изготовлением путем разрезания нитей из углеродного волокна.
(2) Обработка поверхности порошка углеродного волокна:
Основной функцией обработки поверхности является активация поверхности частиц порошка углеродного волокна. Доступные способы включают: газофазное окисление, жидкофазное окисление, каталитическое окисление, покрытие связующим агентом, полимерное покрытие и плазменную обработку.
После активации частиц углеродного волокна поверхность углеродного волокна имеет слабую полярность, что может улучшить диспергирование частиц углеродного волокна в растворителе, предотвратить агломерацию порошка углеродного волокна и, таким образом, дополнительно повысить однородность дисперсии, поверхностную гомогенизацию смеси и/или смачиваемость частиц углеродного волокна в сверхвысокомолекулярной полиэтиленовой матрице, благодаря чему получают полиэтиленовое волокно со сверхвысоким сопротивлением резанию с улучшенными характеристиками.
(3) Приготовление эмульгированного материала порошка углеродного волокна
Обработанный порошок углеродного волокна и ПАВ добавляют к растворителю для осуществления эмульгирования с большим усилием сдвига для получения эмульгированного материала из порошка углеродного волокна. Растворитель может быть представлен одним или несколькими растворителями, выбранными из группы, состояющей из беленого масла, минерального масла, растительного масла, парафинового масла и декалина.
(4) Приготовление смеси: порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 200000-6000000 (предпочтительно 400000-800000) и эмульгированный материал из порошка углеродного волокна добавляют к оставшемуся растворителю для получения смеси. Массовое соотношение сверхвысокомолекулярного полиэтилена, эмульгированного материала из порошка углеродного волокна и растворителя составляет (10-40):(0,1-1):100.
Растворитель может быть представлен одним или несколькими растворителями, выбранными из группы, состоящей из беленого масла, минерального масла, растительного масла, парафинового масла и декалина.
(5) Приготовление порезостойкого полиэтиленового волокна
Смесь экструдируют через двухшнековый экструдер, и получают зарождающееся волокно путем охлаждения и формования в высадительной ванне. Температуру каждой зоны двухшнекового экструдера поддерживают в диапазоне 100-300°C. Зарождающееся волокно извлекают, сушат и подвергают многостадийной термовытяжке с образованием волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию.
Преимущества решения по настоящему изобретению дополнительно описаны ниже в сочетании с конкретными способами осуществления.
Пример осуществления 1
Данный способ осуществления обеспечивает способ получения сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию, включающий следующие этапы.
(1) 750 г порошка углеродного волокна с длиной частиц 10-20 мкм подвергают плазменной обработке поверхности в течение 1 часа.
(2) взвешивают 100 кг беленого масла, отбирают 5 кг из 100 кг беленого масла для добавления к обработанному порошку углеродного волокна и 5 мл ПАВ (динатриймонолаурилсульфосукцинат) для эмульгирования с высоким усилием сдвига со скоростью сдвига 2800 об/мин в течение 30 мин для получения эмульгированного материала углеродного волокна.
(3) 15 кг порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 2000000 и средним размером частиц 100 мкм и эмульгированный материал из углеродного волокна добавляют к оставшимся 95 кг беленого масла и равномерно перемешивают в течение 1 часа для получения смеси.
(4) Смесь смешивают и экструдируют через двухшнековый экструдер, охлаждают и формуют в высадительной ванне для получения зарождающегося волокна. Полученное зарождающееся волокно извлекают, сушат и подвергают многостадийной термовытяжке с образованием волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, в котором концентрация углеродного волокна, диспергированного в сверхвысокомолекулярном полиэтилене, составляет 5%.
Порезостойкие перчатки из вышеуказанного волокна мягкие и удобные, не создают ощущения покалывания. В соответствии с испытанием стандарта EN388-2003 класс порезостойкости соответствует уровню 5.
Пример осуществления 2
Данный способ осуществления обеспечивает способ получения сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию, включающий следующие этапы.
(1) 800 г порошка углеродного волокна с длиной частиц 20-30 мкм подвергают плазменной обработке поверхности в течение 1 часа.
(2) взвешивают 100 кг беленого масла, отбирают 5 кг из 100 кг беленого масла для добавления к обработанному порошку углеродного волокна и 15 мл ПАВ (динатрийкокамид-мео-сульфосукцинат (DMSS)) для эмульгирования с высоким усилием сдвига со скоростью сдвига 2800 об/мин в течение 30 мин для получения эмульгированного материала углеродного волокна.
(3) 20 кг порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 3000000 и средним размером частиц 100 мкм и эмульгированный материал из углеродного волокна добавляют к оставшимся 95 кг беленого масла и равномерно перемешивают в течение 1 часа для получения смеси.
(4) Смесь смешивают и экструдируют через двухшнековый экструдер, охлаждают и формуют в высадительной ванне для получения зарождающегося волокна. Полученное зарождающееся волокно извлекают, сушат и подвергают многостадийной термовытяжке с образованием волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, в котором концентрация углеродного волокна, диспергированного в сверхвысокомолекулярном полиэтилене, составляет 4%.
Порезостойкие перчатки из вышеуказанного волокна мягкие и удобные, не вызывают покалывания. В соответствии с испытанием стандарта EN388-2003 класс порезостойкости соответствует уровню 5.
Пример осуществления 3
Данный способ осуществления обеспечивает способ получения сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию, включающий следующие этапы.
(1) 1000 г порошка углеродного волокна с длиной частиц 30-60 мкм подвергают плазменной обработке поверхности в течение 1 часа.
(2) взвешивают 100 кг беленого масла, отбирают 5 кг из 100 кг беленого масла для добавления к обработанному порошку углеродного волокна и 10 мл ПАВ (сложный эфир фосфористой кислоты и лаурилового спирта (MAP)) для эмульгирования с высоким усилием сдвига со скоростью сдвига 2800 об/мин в течение 30 мин для получения эмульгированного материала углеродного волокна.
(3) 10 кг порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 2 600000 и средним размером частиц 100 мкм и эмульгированный материал из углеродного волокна добавляют к оставшимся 95 кг беленого масла и равномерно перемешивают в течение 1 часа для получения смеси.
(4) Смесь смешивают и экструдируют через двухшнековый экструдер, охлаждают и формуют в высадительной ванне для получения зарождающегося волокна. Полученное зарождающееся волокно извлекают, сушат и подвергают многостадийной термовытяжке с образованием волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, в котором концентрация углеродного волокна, диспергированного в сверхвысокомолекулярном полиэтилене, составляет 10%.
Порезостойкие перчатки из вышеуказанного волокна мягкие и удобные, не создают ощущения покалывания. В соответствии с испытанием стандарта EN388-2003 класс порезостойкости соответствует уровню 5.
Пример осуществления 4
Данный способ осуществления обеспечивает способ получения сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию, включающий следующие этапы.
(1) 750 г порошка углеродного волокна с длиной частиц 20-30 мкм подвергают плазменной обработке поверхности в течение 1 часа.
(2) взвешивают 100 кг беленого масла, отбирают 5 кг из 100 кг беленого масла для добавления к обработанному порошку углеродного волокна и 10 мл ПАВ (калия монолаурилфосфат (МАРК)) для эмульгирования с высоким усилием сдвига со скоростью сдвига 2800 об/мин в течение 30 мин для получения эмульгированного материала углеродного волокна.
(3) 20 кг порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 3 600000 и средним размером частиц 100 мкм и эмульгированный материал из углеродного волокна добавляют к оставшимся 95 кг беленого масла и равномерно перемешивают в течение 1 часа для получения смеси.
(4) Смесь смешивают и экструдируют через двухшнековый экструдер, охлаждают и формуют в высадительной ванне для получения зарождающегося волокна. Полученное зарождающееся волокно извлекают, сушат и подвергают многостадийной термовытяжке с образованием волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, в котором концентрация углеродного волокна, диспергированного в сверхвысокомолекулярном полиэтилене, составляет 3,75%.
Порезостойкие перчатки из вышеуказанного волокна мягкие и удобные, не создают ощущения покалывания. В соответствии с испытанием стандарта EN388-2003 класс порезостойкости соответствует уровню 5.
Пример осуществления 5
Данный способ осуществления обеспечивает способ получения сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысоким сопротивлением резанию, включающий следующие этапы.
(1) 600 г порошка углеродного волокна с длиной частиц 40-60 мкм подвергают плазменной обработке поверхности в течение 1 часа.
(2) взвешивают 100 кг растительного масла, отбирают 5 кг из 100 кг растительного масла для добавления к обработанному порошку углеродного волокна и 10 мл ПАВ (калия полиоксиэтилена лауриловый эфир фосфат (МАЕРК)) для эмульгирования с высоким усилием сдвига со скоростью сдвига 2800 об/мин в течение 30 мин для получения эмульгированного материала углеродного волокна.
(3) 30 кг порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 400000 и средним размером частиц 100 мкм и эмульгированный материал из углеродного волокна добавляют к оставшимся 95 кг растительного масла и равномерно перемешивают в течение 1 часа для получения смеси.
(4) Смесь смешивают и экструдируют через двухшнековый экструдер, охлаждают и формуют в высадительной ванне для получения зарождающегося волокна. Полученное зарождающееся волокно извлекают, сушат и подвергают многостадийной термовытяжке с образованием волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, в котором концентрация углеродного волокна, диспергированного в сверхвысокомолекулярном полиэтилене, составляет 2%.
Порезостойкие перчатки из вышеуказанного волокна мягкие и удобные, не создают ощущения покалывания. В соответствии с испытанием стандарта EN388-2003 класс порезостойкости соответствует уровню 4.
Пример осуществления 6
Данный способ осуществления основан на способе осуществления 1, в котором не выполняют какой-либо обработки поверхности углеродного волокна, и оно агломерирует в эмульгированном материале. Остальные условия и процедуры обработки такие же, как в способе осуществления 1. Получают сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно со сверхвысоким сопротивлением резанию, в котором углеродное волокно диспергировано в сверхвысокомолекулярном полиэтилене в концентрации 5%. Углеродное волокно без обработки ПАВ склонно к агломерации, и полученные филаментные нити волокна менее прядильны, а сопротивление резанию перчаток, сотканных из волокна, также является нестабильным.
Сравнительный пример 1
Углеродное волокно в способе осуществления 1 заменяют на 750 г нитрида бора с длиной частиц 10-20 мкм. Остальные условия и процедуры обработки такие же, как в способе осуществления 1. Получают сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно со сверхвысоким сопротивлением резанию, в котором нитрид бора диспергирован в сверхвысокомолекулярном полиэтилене в концентрации 5%. Полученные филаментные нити волокна менее пригодны для прядения. Сопротивление резанию перчаток, сотканных из волокна, быстро снижается, и перчатки становятся твердыми, неудобными и колючими при постоянном расходе перчаток.
Сравнительный пример 2
Углеродное волокно в способе осуществления 1 заменяют на 750 г углеродистого вольфрама с длиной частиц 10-20 мкм. Остальные условия и процедуры обработки такие же, как в способе осуществления 1. Получают сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно со сверхвысоким сопротивлением резанию, в котором углеродистый вольфрам диспергирован в сверхвысокомолекулярном полиэтилене в концентрации 5%. Полученные филаментные нити волокна менее прядомые. Сопротивление резанию перчаток, сотканных из волокна, быстро снижается, и перчатки становятся твердыми, неудобными и колючими при постоянном расходе перчаток.
Волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена со сверхвысоким сопротивлением резанию, полученные согласно примерам 1-6 и сравнительных примеров 1-2, вплетены в 13-игольные защитные перчатки, соответственно. После того, как перчатки надеты и использованы работниками одной и той же должности и с одними и теми же должностными обязанностями в течение 1 дня (1 день) и 20 дней (20 дней), рабочие характеристики перчаток соответственно проверяют. Результаты испытания приведены в следующей таблице.
ПоказательГруппа
Данные испытания согласно EN388-2003 (1 день)
Класс согласно EN388-2003 (1 день)
Данные испытания согласноEN388-2003 (20 дней)
Описание перчаток через 20 дней использования
Пример осуществления 1
20,7
5
19,5
Поверхность перчаток мягкая и гладкая
Пример осуществления 2
22,1
5
20,6
Поверхность перчаток мягкая и гладкая
Пример осуществления 3
21,6
5
20,3
Поверхность перчаток мягкая и гладкая
Пример осуществления 4
22,8
5
21,8
Поверхность перчаток мягкая и гладкая
Пример осуществления 5
12,6
4
12,2
Поверхность перчаток мягкая и гладкая
Пример осуществления 6
9,8-20,2
3-5
9,1-15,7
Поверхность перчаток мягкая и гладкая
Сравнительный пример 1
13,0
4
4,8
Поверхность перчаток шероховатая и твердая
Сравнительный пример 2
20,5
5
7,6
Поверхность перчаток шероховатая и твердая
Результаты испытаний вышеуказанных вариантов осуществления изобретения показывают, что сопротивление резанию тканных материалов, сотканных из сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна со сверхвысокой стойкостью резанию, полученных в соответствии с настоящим изобретением, действительно может достигать уровней 4-5 согласно стандарту EN388-2003. Что еще более важно, сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно со сверхвысоким сопротивлением резанию, полученное в соответствии с настоящим изобретением, не нуждается в смешивании со стальной проволокой, стекловолокном и другими армирующими материалами. Полученные защитные перчатки мягкие, легкие, чувствительные и удобные, с низким усталостным изменением после длительного использования.
Кроме того, по сравнению с вариантами осуществления изобретения 1-5, вариант осуществления изобретения 6 показывает нестабильный результат испытания, который в основном обусловлен неравномерным распределением углеродного волокна в матрице сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
По сравнению с вариантами осуществления изобретения 1-6 порезостойкие перчатки в сравнительных примерах 1-2 показывают значение сопротивления резанию и класс, эквивалентные показателям вариантов осуществления изобретения 1-6 по настоящему изобретению при использовании в течение приблизительно 1 дня. Однако после 20 дней использования сопротивление резанию перчаток сравнительных примеров 1-2 резко падает, и перчатки становятся зазубренными, твердыми и неудобными. В варианте осуществления изобретения 6 для испытания взяты три различных участка с получением диапазона значений. В перчатках сравнительных примеров 1-2, главным образом из-за многократных изгибов и скручиваний в течение 20 дней использования, негибкий неорганический армирующий материал высокой твердости непосредственно проникает в полиэтиленовую матрицу, что приводит к повреждению поверхности полиэтиленовой матрицы и образованию заусенцев. Между тем, частичное высвобождение неорганического армирующего материала еще больше снижает сопротивление резанию. Напротив, армированные по настоящему изобретению углеродным волокном полиэтиленовые перчатки демонстрируют исключительную долговечность, и после многократного использования сопротивление резанию практически эквивалентно сопротивлению резания только что изготовленного продукта. Кроме того, полиэтиленовая перчатка, армированная углеродным волокном, мягкая и гладкая, а ощущения при носке - хорошие.
Это свидетельствует о том, что, поскольку неорганический армирующий материал высокой твердости, используемый в сравнительном примере 1, имеет высокую твердость, но низкую мягкость, он легко проникает в поверхность матрицы из сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна, что вызывает истирание и потерю высокой твердости армирующего материала, приводя к быстрому снижению сопротивления резанию. Кроме того, порезостойкая перчатка, изготовленная с использованием углеродного волокна в качестве добавки к армирующему материалу в настоящем изобретении, обладает сопротивлением резанию, сравнимым с перчатками с добавками неорганических материалов высокой твердости, таких как нитрид бора и карбид вольфрама.
При этом, в соответствии с экспериментальными исследованиями заявителя, проведенными в последние шесть месяцев, было установлено, что при использовании неорганических присадок высокой твердости в сравнительных примерах 1-2 для повышения сопротивления резанию сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон, происходит серьезное и явное повреждение и быстрый износ такого оборудование, как шнеки экструдера. Однако в настоящем изобретении для замены этих неорганических армирующих материалов высокой твердости используют углеродное волокно, и степень абразивного износа оборудования практически равна таковой для производства обычных сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон.