[发明专利]密实的聚合物凝胶和由其制备的纤维

说明书

本公开涉及密实的聚合物凝胶，其由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、至少一种成核剂、至少一种填料和至少一种流体介质组成。本公开还提供用于制备密实的聚合物凝胶的方法以及由所述密实的聚合物凝胶制备纤维的方法。按照本发明的方法制备的纤维具有在2.5至10GPa范围内的拉伸强度和在110至300GPa范围内的拉伸模量。

领域

本公开涉及聚合物凝胶。具体而言，本公开涉及密实的聚合物凝胶和由其制备的纤维。

定义：

如本公开所用，以下的术语和短语通常旨在具有如下所述的含义，除了在使用其的上下文中有其它指示的情况。

出于本公开的目的，表述“纤维”是连续的细长体(element)，其中长度尺寸远远大于宽度和厚度的横向尺寸。因此，表述纤维包括具有规则或不规则横截面的丝、丝带、条带和纱线等。

出于本公开的目的，术语“密实的”用来描述本公开的聚合物凝胶，其具有有助于导致易于纺丝的最佳形态和流变的性质。

术语“未缠结的”用来描述具有50万至2000万范围内的摩尔质量、大于75％的结晶度、大于200J/g的融合热以及0.048至0.3g/cc范围的堆密度的超高分子量聚乙烯——乙烯的均聚物或共聚物，其中聚乙烯链具有低缠结性或是完全未缠结的。

背景

通过由溶液纺丝和拉制，已从超高分子量聚合物制备了高强度、高模量聚乙烯纤维。已证明这种长丝对于耐切割的应用、复合材料、绳索和结网是非常有用的。传统上，使聚合物溶液经受纺丝，以获得强的聚乙烯纤维。

随着技术的进步，发展出两种溶液纺丝工艺。在一种溶液纺丝工艺中，在升高的温度下在第一溶剂(其在纺丝温度下是基本上不挥发的)如重质矿物油中制备超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的溶液。该聚合物溶液在基本上没有溶剂蒸发下被纺丝并猝灭至凝胶状态。通过使用具有低于100℃的沸点的另一种溶剂提取，从凝胶长丝除去溶剂。使含有第二溶剂的凝胶长丝干燥以形成干凝胶长丝。在提取第一溶剂前、蒸发第二溶剂前以及在使长丝干燥之后进行凝胶长丝的多次拉伸。

根据第二种溶液纺丝工艺，在溶剂中制备超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的溶液，该溶剂在纺丝温度下为挥发性的。使UHMWPE溶液在升高的温度下纺丝、冷却以形成凝胶长丝，其中挥发性溶剂被蒸发并且然后使长丝拉伸。美国专利号7147807公开了一种用于从挥发性溶剂的溶液中纺出高分子量聚(α-烯烃)(UHMWPO)长丝并将溶剂回收和再循环的方法。然而，由US 7147207公开的工艺获得的UHMWPE长丝具有缺点，如高卷曲、高透光率、高蠕变和低耐热性。

美国专利公开号20110082262提到通过使无机物质和UHMWPE凝胶溶液混合并且通过预定的制造过程加工该溶液而制备的复合材料。然而，过量使用的无机物质使纤维在工艺的早期阶段出现裂缝或断裂。

已试图通过使聚合物链以沿纤维轴平行的方式取向而制备高强度和刚度的纤维。然而，在高性能聚乙烯纤维(HP-PE)中，单个分子的取向/扩展是很困难的，因为这些聚合物链是高度易弯曲的，并且缠结在其自身中以及彼此之间相互缠结。此外，UHMWPE纤维具有蠕变倾向，这使得它们在用于长期应用中效率低。

尽管技术有了进步，但是用于由UHMWPE制备纤维的常规方法是昂贵的并且产生具有差的形态和机械性质的纤维。因此，需要提供制备具有优异的形态和机械性质的纤维的方法以及用于制备所述纤维的凝胶。

目标

下文描述本公开的一些目的，其适于被至少一个实施方式提供：

本公开的一个目的是提供一种密实的聚合物凝胶。

本公开的另一个目的是提供一种具有足够的贮藏寿命和可纺性的密实的聚合物凝胶。

本公开的再一个目的是提供一种制备密实的聚合物凝胶的方法。