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CN114575009A - 一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品及其制备方法 - Google Patents

一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及纤维材料技术领域，尤其为一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品及其制备方法；所述耐热超高分子量聚乙烯纤维制品包括超高分子量聚乙烯纤维；以及，缠绕包覆在超高分子量聚乙烯纤维外的包覆纱，包覆纱中吸附有水；以及包覆在包覆纱的石蜡层。制备方法，包括如下步骤：以超高分子量聚乙烯纤维为芯纱，用包覆丝在芯纱外螺旋状缠绕包覆，形成包覆纱；将包覆有包覆纱的超高分子量聚乙烯纤维浸水，包覆纱吸水；以液态石蜡包覆吸水后的包覆纱，液态石蜡固化后，制成所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品。本发明能够确保超高分子量聚乙烯纤维在200摄氏度高温环境下一定时间内保持较高的拉伸强度。

Description

一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维材料技术领域，一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品及其制备方法。
背景技术
常用电缆的设计标准之一：电缆在出现短路过载时，其能够承载最高温度为250摄氏度，高温持续时间不超过五秒；短时间内产生的高热量经由热传导必然会作用于主要承载机械力的铠装层。
另一方面超高分子量聚乙烯英文名 ultra-high molecular weightpolyethylene(简称 UHMWPE)，是分子量100万以上的聚乙烯。分子式：—(—CH2-CH2—)—n—，密度：0.936～0.964g/cm3。热变形温度(0.46MPa) 85℃，熔点130℃左右。 UHMWPE具有极好的耐磨性，良好的耐低温冲击性、自润滑性、无毒、耐水、 耐化学药品性，所以其使用范围主要受到高温变形的制约，如果能够耐受住使用时的热冲击，那么将显著提高其使用范围；尤其是以超高分子量聚乙烯纤维制作电缆铠装层时，如果超高分子量聚乙烯纤维不受热量影响，能够有效提高电缆的使用寿命。
中国发明专利CN201510085095.6公开了一种耐热聚乙烯共聚物的制备方法及耐热聚乙烯共聚物、管材，通过改性共聚的方法提高了聚乙烯的熔点，不过仅仅是提高到了133℃，其效果在某些特定领域具有了一定的作用。
中国发明专利CN201510096053.2公开了一种耐热抗蠕变超高分子量聚乙烯恒强纤维及其制备方法，该纤维包括超高分子量聚乙烯粉末、石墨烯、交联剂、固化剂、引发剂和抗氧剂。通过其方法制备出的纤维在115℃条件下其蠕变性能得到了一定的改善。
中国发明专利CN201410704931X公布了一种增强阻燃保温复合材料，提出了利用石蜡制作相变蓄热材料，在实现吸热保温功能的同时满足一定的强度要求；但由于其发明目的旨在应用于建筑材料领域，因此虽然其在一定程度上提出了耐热并且确保拉伸强度的需求，但由于建筑物的温度上限通常不会超过70℃，因此虽然该专利技术方案能够一定程度上满足其作为建材的使用需求；但该技术方案不能借鉴应用于作为线缆铠装层等工业生产领域；具体存在如下技术问题：现有技术以石蜡作为主要成分制作相变蓄热材料，相变蓄热材料添附在支撑材料侧，以确保支撑材料不会因过热而大幅降低拉伸强度。但是在温度环境出现200摄氏度以上的瞬时高温时，为了确保支撑材料的状态，则需要使用的作为相变蓄热材料的石蜡用量则比较多，最终的复合材料整体质量大幅提升，使得应用场景受限；第二，石蜡蓄热后，逐步缓慢释放热量，使得支撑材料被长时间高温炙烤也会引起材料属性变劣；第三，复合材料在应用于线缆时不可能完全保持绝对水平状态，较大量的石蜡在遇热融化后会填补相变蓄热材料与支撑材料之间的间隙，使得液态石蜡向低点聚集，使得低点的耐热性加强，而其他点的耐热性几近丧失，并且复合材料的低点会非对称地拉拽支撑材料，形成易损坏点；第四，石蜡制作相变蓄热材料，现有技术需要四小时左右的冷却凝固过程，此过程中相变蓄热材料的难以收储，并且不利于持续生产。
发明内容
本发明目的在于提供一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品及其制备方法，使得超高分子量聚乙烯纤维在50秒内耐受200℃的环境温度，并且仍然具有较好的拉伸强度，具体由以下技术方案实现：
一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，包括超高分子量聚乙烯纤维；以及，缠绕包覆在超高分子量聚乙烯纤维外的包覆纱，包覆纱中吸附有水；以及包覆在包覆纱的石蜡层。
所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其进一步设计在于，所述包覆纱采用棉、SAF吸水纤维棉、改性涤纶、聚乳酸、黏胶纤维中的一种或者多种捻制成的包覆丝缠绕在所述超高分子量聚乙烯纤维外。
所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其进一步设计在于，所述包覆纱采用包覆丝经两次包覆形成，其中、首次包覆采用s捻的包覆丝，二次包覆采用Z捻的包覆丝。
所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其进一步设计在于，所述超高分子量聚乙烯纤维的质量占比不超过90%。
所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其进一步设计在于，所述包覆纱中的所含水的质量占比不低于包覆纱质量的10%。
一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品的制备方法，包括如下步骤：
1)、以超高分子量聚乙烯纤维为芯纱，用包覆丝在芯纱外螺旋状缠绕包覆，形成包覆纱；
2）、将包覆有包覆纱的超高分子量聚乙烯纤维浸水，包覆纱吸水；
3）、以液态石蜡包覆吸水后的包覆纱，液态石蜡固化后，制成所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品。
所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品的制备方法，其进一步设计在于，步骤3）中，包覆纱吸水后，穿过冷冻区，包覆纱吸附的水凝结成冰；继而向冰冻的包覆纱喷涂液态石蜡，包覆在包覆纱外的液态石蜡遇冷加速固化。
本发明的有益效果在于：
利用水和石蜡作为相变储能材料包覆在超高分子量聚乙烯纤维外，并且石蜡作为相变储能材料的同时能够将水密封在超高分子量聚乙烯纤维外，水又减缓了石蜡的相变进程，从而热能在短时间内被阻隔在外，确保超高分子量聚乙烯纤维保持较高的拉伸强度。
水在遇到极端高温时，由于水的沸点大幅低于石蜡，在超过100摄氏度时，水汽化形成蒸汽，突破融化的石蜡层，继而发生蒸汽外泄，带走大量的热量，使得出现极端高温后，聚乙烯纤维的环境迅速下降到正常温度，不会对聚乙烯纤维材料进行长时间的高温炙烤；并且正是由于水汽化吸收大量热量，因此基于蓄热降温的需要，最终的复合材料整体质量较低。
由于包覆丝的捻制工艺以及缠绕包覆工艺中包覆丝始终承受着张力，从而包覆丝的纤维呈聚拢状态，其水保持能力较差，在冷冻结冰后喷涂液态石蜡，包覆丝在径向先后承受了快速冷冻和快速受热解冻的过程中产生的不均匀应力使得包覆丝的聚拢状态被破坏，从而具有更好的水保持能力；与此同时，液态石蜡包覆到包覆纱外部时急速遇冷固化，避免出现液态石蜡在常温下缓慢固化引起的分布不均问题；免于现有技术液态石蜡四小时左右的冷却凝固过程，便于批量生产制作。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行进一步说明：
包覆纱以连续超高分子量聚乙烯纤维为芯纱，外层以化纤长丝或棉、化纤纯纺纱/混纺纱以螺旋状的形式缠绕在芯丝外侧形成包覆纱。
具体而言：将聚乙烯丝卷装放置在输出罗拉上，包覆用丝设置在下排中空环锭上；在预牵伸罗拉的牵引下，聚乙烯丝从聚乙烯丝卷装上退卷并从下排中空环锭的锭心通过；下排中空环锭上的包覆用丝通过环锭的旋转退绕出来并包覆在聚乙烯丝上形成初次包覆纱；
将二次包覆用丝设置在上排中空环锭上；初次包覆纱从上排中空环锭的锭心通过，上排中空环锭上的二次包覆用丝通过环锭的旋转退绕出来包覆在初次包覆纱上形成复合包覆纱；包覆纱在牵引罗拉的牵引下，通过成品卷绕滚筒的带动形成最终的复合状态的包覆纱。
为更好地实现本发明，所述包覆用丝以s捻包覆在聚乙烯丝外。所述二次包覆用丝以Z捻包覆在聚乙烯丝外。
两次包覆后，超高分子量聚乙烯丝重量不超过包覆后制品的90%。
包覆纱吸水后，穿过冷冻区，包覆纱吸附的水凝结成冰；继而向冰冻的包覆纱喷涂液态石蜡，包覆在包覆纱外的液态石蜡遇冷加速固化。
将包覆有包覆纱的超高分子量聚乙烯纤维喷水或者浸水，包覆纱吸水；控制包覆后的纤维含水量最少达到包覆纱重量的10%，最多不会因为拉伸及重力等作用导致水从包覆纱中被挤出；然后，穿过冷冻区，包覆纱吸附的水凝结成冰；继而向冰冻的包覆纱表面包覆液态石蜡，液态石蜡遇冷加速固化，制成所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品。
测试方法：将包覆纱放入预先升温并稳定好温度的烘箱中，计时，计时结束时对耐热超高分子量聚乙烯纤维制品的拉伸强度进行检测。
实施例1
取一段拉伸强度为36.12cN/dtex，质量为0.4405g的超高分子量聚乙烯纤维，在其四周包覆SAF吸水纤维棉，包覆后质量为0.5645g，用水浸润后，冷冻，最后在其表面涂上52号石蜡，最终制品为0.6603g。将其放入200℃环境中，50秒后取出，再次测试其拉伸强度为33.15cN/dtex，强度仅降低了8.22%。
实施例2
取一段拉伸强度为36.12cN/dtex，质量为0.1409g的超高分子量聚乙烯纤维，在其四周包覆改性涤纶，包覆后质量为0.3194g，用水浸润后，冷冻，在其表面涂上56号石蜡，最终制品为0.6213g。将其放入200℃环境中，50秒后取出，再次测试其拉伸强度为32.45cN/dtex，强度仅降低了10.16%。
实施例3
取一段拉伸强度为34.75cN/dtex，质量为0.1422g的超高分子量聚乙烯纤维，在其四周包覆黏胶纤维，包覆后质量为0.2246g，用水浸润后，冷冻，再在其表面涂上56号石蜡，最终制品为0.3826g。将其放入230℃环境中，50秒后取出，再次测试其拉伸强度为31.46cN/dtex，强度仅降低了9.47%。
实施例4
取一段拉伸强度为34.75cN/dtex，质量为0.0453g的超高分子量聚乙烯纤维，在其四周包覆棉，包覆后质量为0.2231g，用水浸润后，冷冻，再在其表面涂上58号石蜡，最终制品为0.3961g。将其放入250℃环境中，50秒后取出，再次测试其拉伸强度为31.66cN/dtex，强度仅降低了8.89%。
实施例应用于电缆时，可设置在电缆的铠装层，通常情况下，电缆的温度不超过70℃，超高分子量聚乙烯纤维的拉伸强度保持正常状态；在出现偶发的短路过热现象时，水以及石蜡吸收大量热量，确保电缆不会由于过热引发严重的安全事故，事后，可将该部分电缆进线更换，由于石蜡的存在，具有脱模剂的效果，易于将电缆的外保护层去除继而进行回收利用。

Claims (7)

1.一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其特征在于包括超高分子量聚乙烯纤维；以及，缠绕包覆在超高分子量聚乙烯纤维外的包覆纱，包覆纱中吸附有水；以及包覆在包覆纱的石蜡层。
2.根据权利要求1所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其特征在于，所述包覆纱采用棉、SAF吸水纤维棉、改性涤纶、聚乳酸、黏胶纤维中的一种或者多种制成的包覆丝缠绕在所述超高分子量聚乙烯纤维外。
3.根据权利要求2所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其特征在于，所述包覆纱采用包覆丝经两次包覆形成，其中、首次包覆采用s捻的包覆丝，二次包覆采用Z捻的包覆丝。
4.根据权利要求1所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维的质量占比不超过90%。
5.根据权利要求1所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品，其特征在于，所述包覆纱中的水的质量占比不低于包覆纱质量的10%。
6.一种耐热超高分子量聚乙烯纤维制品的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、以超高分子量聚乙烯纤维为芯纱，用包覆丝在芯纱外螺旋状缠绕包覆，形成包覆纱；
2）、将包覆有包覆纱的超高分子量聚乙烯纤维浸水，包覆纱吸水；
3）、以液态石蜡包覆吸水后的包覆纱，液态石蜡固化后，制成所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品。
7.根据权利要求6所述的耐热超高分子量聚乙烯纤维制品的制备方法，其特征在于，步骤3）中，包覆纱吸水后，穿过冷冻区，包覆纱吸附的水凝结成冰；继而向冰冻的包覆纱喷涂液态石蜡，包覆在包覆纱外的液态石蜡遇冷加速固化。
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