目前，工（gōng）業上製備超高（gāo）分子量聚乙烯(PE-UHMW)纖維的方法為凝膠（jiāo）紡絲法[1-2]。凝膠紡絲法雖然可以製備出高強度和（hé）高模量的PE-UHMW纖維(其強度可以達到3.0 GPa)，但是（shì）其缺點是在生產過程中大量使用溶劑且生產成本很高，環境安全（quán）性差[3-4]。熔體紡絲是一種（zhǒng）工藝簡單、無（wú）溶劑、環境友好的紡絲方法[4-6]。與凝膠紡絲法相比，熔體紡絲法製備PE-UHMW纖維最（zuì）根本的區別在於其初（chū）生纖維（wéi）的製備過程（chéng）。凝膠紡絲法首（shǒu）先將PE-UHMW粉（fěn）料溶解到適合的溶（róng）劑中(一般（bān）為十（shí）氫萘或礦物（wù）油)配成一定濃度（dù）的紡絲原（yuán）液，使其（qí）具有（yǒu）流動性和可紡性，同時降低或解除了大分（fèn）子鏈之間的纏結密度[7-8]，經噴絲孔噴出後（hòu），獲得凝膠初生纖維。超高分子量聚乙烯樹（shù）脂由於是柔性鏈且分子量大，大分子鏈之間相互纏結，所以流動（dòng）性和加工性能（néng）極差，不能像低（dī）分子量的聚烯烴一樣進行熔體紡絲。但（dàn）近年來，隨著（zhe）研究者對PE-UHMW樹脂流動性改性的研究的不斷深入和製備低纏結PE-UHMW技術（shù）的發展，製備出了多種可用於熔（róng）體紡絲的PE-UHMW樹脂[9-13]，這就（jiù）為進行PE-UHMW的熔（róng）體紡絲研究（jiū）提（tí）供了原料基礎。熔體紡絲法和凝膠紡（fǎng）絲（sī）法製備出的初生纖維強度（dù）都較低，都要（yào）經過拉伸才能成為成（chéng）品纖維。對柔性聚合物纖維（wéi）而（ér）言（yán），超高倍拉伸是獲得高強度高模量纖維的必備途徑[14-16]。纖（xiān）維的有效拉伸倍率越高其力學性能也越高。超倍拉伸的目的是最大限度（dù）地將初（chū）生纖維中（zhōng）的低結晶度（dù）、低取向的折疊鏈（liàn）片晶轉變為高（gāo）度結晶、高度取向的伸直鏈結（jié）晶，從而獲得高強度的PE-UHMW纖維  。因此  ，選擇（zé）合適的（de）拉伸工藝條件，獲得最大的有效拉伸倍率是製（zhì）備高強度纖（xiān）維的前提條件。筆者采（cǎi）用熔體紡絲法，以高流動性、低纏結密度的PE-UHMW為原料製備出具有可拉伸性的初生絲  ，以獲得最大拉伸倍率和最大拉伸強度的PE-UHMW纖維為目標（biāo），對熔體紡（fǎng）絲製備出的PE-UHMW初生絲（sī）纖維進行（háng）一級超（chāo）倍拉伸做初步（bù）的研究，對影響纖維超倍拉伸的因素，如拉伸（shēn）溫度、拉伸介質、拉伸速度等進行分析

1、實（shí）驗部分

1.   1 主要原（yuán）材料改性高流動性PE-UHMW樹脂（zhī）  ：B1600，黏均分子量為150萬，熔體（tǐ）流動速率（lǜ）為5  g/10  min (溫度190 °C，負荷2.16 kg)

1.2 儀器及設備轉矩流變儀：RM-200A 型，哈爾濱哈普電氣技術有限責任（rèn）公司；萬能電（diàn）子材料試驗機：GT-AI7000S型（xíng），中國台灣高鐵檢測儀器有限公司；場發射掃描電子顯微鏡(FESEM) ：FEI  Nano SEM450型，美國賽默飛（fēi）世（shì）爾公（gōng）司；拉伸實驗設備主要有送絲機、溶劑(水或矽（guī）油（yóu）)浴槽  、牽引機（jī）和收絲機組成。其中浴槽由箱（xiāng）體、加（jiā）熱設備和溫控設（shè）備組成。初生絲在溶劑浴槽內完成高倍熱拉伸，浴槽內部加（jiā）熱介質溫度可調且保持（chí）溫度上、下波動不（bú）超過0.1 °C，由牽引機和（hé）收絲機控製拉伸速度。

1.3 初生絲製備將PE-UHMW樹脂顆粒在60 °C的恒溫幹燥箱中幹燥（zào）6 h，在（zài）轉矩流變儀（yí）上（shàng）熔融擠（jǐ）出，其中（zhōng）單絲機頭的直徑為1 mm，冷卻（què）方式為空氣冷卻，調節適當的擠出速度和牽（qiān）引機的牽引速度進行預牽伸，獲取理想直徑且表麵光滑的初生（shēng）絲。初生絲製備流程圖如圖1所示。

為了（le）獲得表麵（miàn）光滑，結構均勻的（de）初生絲（sī），在工藝上做了以下考慮：轉矩（jǔ）流變儀有三個加（jiā）熱區，加熱溫度越高，PE-UHMW樹（shù）脂的流動性越好（hǎo），擠出速度越（yuè）快，但是考慮到過高（gāo）的加熱溫度會導致PE-UHMW的降解，影響初生絲（sī）最終的可拉伸性，因而根據實驗（yàn）結果，三個加熱區的溫度分別設定為（wéi）：1區160 °C，2區230 °C，3區270 °C，單絲機頭加熱溫度為260 °C；螺杆轉（zhuǎn）速為2 r/min，過快易產生熔體破裂現象  。實驗表（biǎo）明，由於擠出（chū）膨大效（xiào）應（yīng），噴絲孔的直徑為1 mm，不經預拉（lā）伸的初生絲的直（zhí）徑大約為1.2mm。初生絲直徑越（yuè）大，在後續的高倍拉伸過程中（zhōng），由於受熱不均勻，會影響最終的拉伸性能；預拉伸倍率過高，會造成斷絲現象，不利（lì）於連續生產。根據（jù）現場試驗數據，選擇6倍的預拉（lā）伸倍率較為（wéi）合適，獲得直徑約為450 μm的表麵光滑的初生絲，如圖2所示

1.4 測（cè）試與（yǔ）表征力學性能測試（shì）：使用電子（zǐ）萬能試驗機，依（yī）據GB/T    14337-2022，測定纖維的斷裂強度。測試夾距200 mm，拉伸（shēn）速度為50 mm/min。每組樣品測試5次，取平均值。FESEM觀察  ：纖維采（cǎi）用鍍鉑金處理，加速（sù）電壓5 kV，觀察纖維（wéi）表麵形貌。

2 、結果與討（tǎo）論

2.1 拉伸介（jiè）質的選擇工業上，凝膠紡絲法製備PE-UHMW纖維的一級拉伸的拉伸（shēn）溫度一般低於100 °C。所以（yǐ）既可以選擇油浴也可以使用（yòng）水浴作為拉伸介質。為了驗證何種介質更好，進行了如下實驗：使用直徑（jìng）為（wéi）450 μm，初生拉伸倍率為（wéi）6倍的初生絲  ，在長2 m的浴槽中進行水浴和矽油浴拉伸。溫（wēn）度均為90 °C，拉伸速度設為1 m/min，分別獲得不同拉伸倍率的PE-UHMW纖維  。測試其不同（tóng）介質下不（bú）同拉伸倍率的纖維的力學性能，結果見（jiàn）圖3。由圖3可以看到，在同樣（yàng）的拉伸（shēn）倍數（shù），工藝條件下，在矽油浴中拉（lā）伸得到（dào）的PE-UHMW纖維強度明顯高於在水浴條件下拉伸（shēn）得到的纖維。原因可（kě）能在於，水的傳熱係數為0.5 W/(m2·K)比矽油的傳（chuán）熱係數0.92 W/(m2·K)小。采用（yòng）水浴加熱進行拉（lā）伸，很容易導致皮熱芯（xīn）冷的（de）現象，這樣造成纖維表麵（miàn）和纖維內部受（shòu）熱不均勻（yún），可（kě）能造成初生（shēng）絲表麵溫度過高，同時初生絲內部（bù）溫度還沒（méi）有達到熱變形溫度以上，這樣的拉伸對初生絲纖維內部來說隻是單純的應力拉（lā）伸，會導致缺（quē）陷產生，從而導致（zhì）絲的強度低（dī）。矽油（yóu）傳熱係數高、絲的傳熱時間短，初（chū）生絲纖（xiān）維（wéi）的表皮和內部同時達到熱變形溫度。在拉（lā）伸的過程中是整根纖維被拉伸，從（cóng）而形成均勻的結構，因此獲得的成品纖維（wéi）強度也較（jiào）高。使用同等品質的初生絲，分（fèn）別在水（shuǐ）浴（yù）和油浴進行加熱拉伸，拉伸（shēn）溫度都（dōu）為90 °C，拉伸倍數為40倍（bèi），采用FESEM進行觀察，如圖4所示  。從圖4可以看到兩種纖維表麵有很大（dà）的不同。在水浴介質中，拉伸後的纖維表麵比較粗糙，而且在拉伸方向有很多（duō）溝壑。初（chū）步分析是因為形成皮熱芯冷局部拉伸（shēn）過度造（zào）成的。油浴介質中拉伸則基本無此類現象。因（yīn）此選用矽油浴作為拉伸介質（zhì）更好。

2.2 拉（lā）伸溫度的選（xuǎn）擇工業上，凝膠紡絲法製備PE-UHMW纖維的一級拉伸的拉伸溫度一（yī）般低於100 °C，PE-UHMW熱變形溫度為（wéi）85 °C(0.46 MPa)左右  ，因（yīn）此（cǐ）為了獲得一個最佳的拉伸溫度，實驗中選擇（zé）一個溫度（dù）區間70～100 °C，進行一（yī）係列的拉伸實（shí）驗。實驗過程如下：使用直徑為450 μm，初生（shēng）拉（lā）伸倍率為（wéi）6倍（bèi）的初生絲  ，在長2 m的槽中進行拉（lā）伸。拉伸介質為矽（guī）油，拉伸速度設定為1 m/min，拉伸溫度為70～100 °C(每間隔5 °C做一批樣品)測定其不同拉伸溫度下所獲得的PE-UHMW纖維的最大（dà）拉伸倍率和最大拉伸性能（néng），結果見圖5和圖（tú）6。圖5為初生絲在油（yóu）浴條件下拉伸溫度與最大拉（lā）伸倍率的關係曲線。從（cóng）圖5可以看出，最（zuì）大拉（lā）伸倍率與拉（lā）伸溫度的關係可以分為明顯的兩個階段，第一個階段，隨著（zhe）溫度（dù）的提高，初生絲（sī）的最大拉伸倍率一直在線性提高，從最初70 °C時的最大拉伸倍率為50倍左右逐漸提高到90 °C時的最大拉伸倍率62倍左右；第二個階段，隨著拉伸溫度的進一步提高，初生絲的最大拉伸（shēn）倍率開始降低，當拉伸溫度升高到100 °C時，其最大的拉伸（shēn）倍率降低到了50倍以下。這說明（míng），初生絲在（zài）一級拉伸階段如果要（yào）獲得最大拉伸（shēn）倍率應有（yǒu）個最佳的拉伸溫度，由圖5可知這個（gè）最佳的（de）拉（lā）伸溫度在90 °C附近（jìn）。

圖6為初生（shēng）絲在油浴條件下拉伸溫度與最大拉（lā）伸強度的關係曲線（xiàn）。從圖（tú）6可以看到，最大拉伸（shēn）強度隨著拉伸溫度的（de）變化趨（qū）勢（shì）和最（zuì）大拉伸倍率（lǜ）的變化趨勢基本一致，同樣也是在拉伸溫度為90 °C條件下，纖維獲得最大的拉（lā）伸強度。這再次說明了有效的拉伸倍率（lǜ）越高（gāo），其（qí）獲得的纖維的（de）力學性能越好

分析其原因（yīn）可能在（zài）於，PE-UHMW分（fèn）子鏈較長（zhǎng），雖（suī）然經過改性後纏結密度有所降低，但是（shì）在非晶（jīng）區的PE-UHMW大分子之間還是相互（hù）纏結，這部分（fèn）PE-UHMW分子稱為縛結分（fèn）子，縛結（jié）分子的作（zuò）用（yòng）為連接相鄰的折疊鏈晶區。使（shǐ）這些縛結分子被拉直而形（xíng）成伸直鏈結晶，不僅需要拉伸提供的張應力作用，而且還需要一定的溫度使得大（dà）分子鏈獲得足夠的（de）能量（liàng），從而具有發生較大形變的運動能力。因此，存在一個最佳的拉伸（shēn）溫（wēn）度，溫度過低則不能使大分子鏈獲得足夠的能量（liàng），溫度過高則會造成大分子鏈（liàn）之間的無效滑移，在纖維內部形（xíng）成（chéng）缺陷（xiàn），從而導致有效拉伸倍率不高。同時  ，由於大分子鏈之間的滑移會造成縛結分子之間張力不高，折（shé）疊鏈結晶的PE-UHMW分子無（wú）法獲得足夠的拉力使其在拉（lā）伸方向發生取向，無法形成伸直鏈結晶的（de）PE-UHMW分子，從而導致拉（lā）伸強度不高（gāo）。

2.3 拉伸速度的選擇與一般的熔紡纖（xiān）維（wéi）相比，PE-UHMW樹脂（zhī）的分子量大，分子鏈之間的纏結密度高。理論上，熔紡（fǎng）PE-UHMW纖維的（de）拉伸速度可能較低（dī）。因（yīn）此選擇拉伸速（sù）度在0.2～4 m/min之（zhī）間（jiān）進行一係列的拉伸實驗。實驗過程如（rú）下（xià）：實驗過（guò）程中，拉伸溫度設為90 °C，將直徑為450 μm的初生絲（sī）一端固定，另一端（duān）的（de）牽引機以不同的拉伸速度拉伸纖維直至斷裂。不同拉伸速度下的纖維最大（dà）拉（lā）伸倍數與拉伸強度關係曲線見圖7和圖8。圖（tú）7是初生絲在油浴條件下最大拉伸倍率與（yǔ）拉伸速度的關係（xì）曲線，由圖7可見  ，初生絲最大拉伸倍率與（yǔ）拉伸速度的關係可以分為明顯的兩個階段，第一個階段，當拉（lā）伸速（sù）度小於1 m/min的條件（jiàn）下，初生（shēng）絲的最大拉伸倍率基本不變，保持在62倍左右。第二個階段，隨著（zhe）拉伸速（sù）度的進（jìn）一步提高，初生絲的最（zuì）大拉伸倍率開始降低，並保持線（xiàn）性（xìng）關係，當拉伸（shēn）速度升高到（dào）4 m/min時，其最大的拉（lā）伸倍率降低到了40倍以下。這說明，初生絲在一級拉伸階段（duàn）如果要獲得最大拉伸倍率，則拉伸速度不能大於1  m/min。

圖8是（shì）油浴條件下纖維最大拉（lā）伸強度（dù）與拉伸（shēn）速度的關係曲線圖。由圖8可見，纖維最大拉伸強度隨著拉伸速（sù）度的變化趨勢和最大拉（lā）伸倍率的變化趨勢（shì）基本一（yī）致，當拉伸速度小（xiǎo）於1 m/min的條件下，初生（shēng）絲（sī）的最大拉伸強度基本不變，保持（chí）在1.2 GPa左右（yòu）  。第二（èr）個階段，隨著拉伸速度的進（jìn）一步提高，初生絲（sī）的最大拉伸強度開始迅速降低這再次說明了有效的拉伸倍率越高，纖維的最終強度越高。分析其原因可（kě）能在於，在一定的拉伸應力和溫度作用下，纖維內部的PE-UHMW大分子，通過分子運動的方式，從一種平衡態過渡到（dào）另一種與外界條件相適應的新的平衡態總（zǒng）是（shì）需要一定時間的，這種（zhǒng）現象也被稱作大分子運動的時間依賴性。其原因在（zài）於大分子鏈是由多個鏈段或者鏈節構成的，這些鏈段或者鏈節的（de）運動（dòng）需要克服內摩擦阻力，是不能瞬時完成的。纖維中PE-UHMW大分子鏈較長且相（xiàng）互纏結，要使連接相鄰折疊鏈晶區的非晶區（qū）縛（fù）結分子解開纏結，被拉直靠攏形成伸直（zhí）鏈結晶，除了在拉伸溫度和拉伸應力的作用下，還需要有（yǒu）一定時間進行解纏結，拉伸速度過（guò）快會造成纖維內部PE-UHMW大分子的應變跟不（bú）上應力的變化，導致PE-UHMW大分子鏈之間的解纏結不完全；另外（wài）  ，拉伸（shēn）速度過快，還會造成纖維內部折疊鏈片晶來不及旋轉  、取向  。最終都會導致纖維最終的拉伸倍率和力學性（xìng）能的降低。

3、結論采用高流動性、低（dī）纏結密度PE-UHMW樹脂為原料  ，使用熔體紡絲法（fǎ）成功製備出表麵光滑（huá）且具有高倍拉伸（shēn）性能的PE-UHMW纖維初生絲，並使用該（gāi）初生（shēng）絲對拉伸工藝進行了研究，得出以下結論：使用轉（zhuǎn）矩流（liú）變儀，三個加熱（rè）區的溫度分別設定為：1區160 °C，2區230 °C，3區270 °C，單絲機（jī）頭加熱溫度為260 °C；螺杆轉速為2 r/min，預拉伸倍率在6倍（bèi）左右，製備出表麵光滑具有高倍拉伸性能的（de）直（zhí）徑為450 μm的初生絲。以獲得最大有效（xiào）拉伸倍率和（hé）最（zuì）大（dà）拉伸強度為（wéi）目（mù）的  ，對（duì）拉伸工藝進行了研究，研究表明：采（cǎi）用濕拉伸的方法（fǎ），相（xiàng）比於（yú）水浴，油浴條件（jiàn）下（xià）纖維可以（yǐ）獲得更高的最大有效拉伸倍率和力（lì）學性能。存在一（yī）個最（zuì）佳的拉伸溫度，即90 °C附近時，PE-UHMW纖維可以獲得最大拉伸（shēn）倍率以及最（zuì）好的力學性能（néng）。拉伸速度小於1 m/min情況下，纖維獲得的最大拉（lā）伸倍率基本不變，當拉伸速度繼續（xù）增加時，其最大拉伸倍率迅速下降。在目前獲得的最佳拉伸工藝條件下可製備出強度為1.2 GPa的PE-UHWM纖維。

摘要選材：工程塑料應用（yòng）

深圳市17C.COM一起草入口科技（jì）有限公司主要生產的產品有降解袋、可降解環保袋、可回收袋、CPE磨砂袋、纖維袋、無紡布袋、熱縮袋、CPE袋、POF熱縮袋、CPE膠袋（dài）生（shēng）產等環保內包裝袋。