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从防弹头盔来解析超高分子量聚乙烯纤维的制造工序(组图)
特种装备网 发布时间:2018-10-09 浏览量:2714
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从防弹头盔来解析超高分子量聚乙烯纤维的制造工序(组图)

在“建军90周年”的阅兵仪式期间,防弹头盔的生产车间第一次在电视直播中向大众开放。说到防弹材料,那就不得不提及超高分子量聚乙烯纤维。

从防弹头盔来解析超高分子量聚乙烯纤维的制造工序(组图)

超高分子量聚乙烯纤维的主要生产工序如下:

原料的制备——双螺杆挤压机——纺丝箱——喷丝板——萃取——干燥——加热牵伸——卷绕成型。

制备原料

当前,国内外原料的制备方法不一,采用的溶剂不同,含固量也不一样。所以,没有固定的统一模式,生产制作的设备差异也很大,而常规熔融纺是不加溶剂的。但不论采取那种方式,最终都能达到所需的效果。因生产是连续化的,所以原料的配比不能有波动,要求始终均匀一致。虽然含固量的提高,是提高产量的重要手段之一,但拉伸比也随之提高,整体车速都要相应加快,增加了操作难度,毛丝的产生量相比明显增多,不易把握。但若能将含固量的百分比控制在适当的浓度内,还是可以的,因此要根据自身情况,量力而行。提高计量泵的转速也是提高产量的有效手段之一。

搅拌物料

螺杆挤压机对物料起着输送—搅拌—加热—加压等作用。首先,进入“螺杆”之前的浆料要脱泡,不能含有水汽,物料在输送过程中,要得到充分的混练搅拌。各区的加热温度,要结合螺杆上捏合块的位置加以设定,并且要保证一定的输送压力。螺杆捏合块的设定,理论性很强,不同的组合,对物料的搅拌,会有不同的效果。

纺丝

纺丝箱的作用主要是保温;控温;均匀的将物料分配到每一个纺丝组件。

喷丝

由计量泵将物料挤压变为丝条,就是通过喷丝板实现的,板的孔径大小及刨面形状是它的重要技术参数,它对纤维的成型及拉伸性能的好坏,起着至关重要的作用。纺丝箱和喷丝板处的温度匹配,通过观察喷出丝的熔融状态设定温度参数。但要想精确控制,还需要具备一些具体技术条件和实践经验。

萃取

主要是将丝条中大量的溶剂萃取、置换出来,从而得到“纯”度的高强度聚乙烯纤维。萃取剂的选取,厂家各有不同,生产工艺也不一样。到目前为止,很难找到一种即经济实用、安全环保,萃取效果又好,还无毒、无味的理想萃取剂。在国际上,也是一个长期不宜解决的难题。

从纺丝到萃取这一工段中,丝条随机不断的拉伸,从外观上看,由粗变细,由半透明到半乳白,丝的可拉伸性也逐渐提高,有了一点“强度”。若从丝的内部看,原料的分子结构并无大的变化,大分子之间没有定向排列,还是处在无序状态,分子之间被大量的溶剂包裹隔离着,不能形成分子链,若分子链形不成,丝也就不可能有真正的强力。而这时的纤维内部,实际上象是一个圆管型网状体,聚乙烯的分子颗粒在其管网之中,随着纤维的不断拉伸变细,溶剂不断的析出,管网的形状也由圆到长,由梳到密,物料分子之间密度逐渐增加,大分子的排列,也由紊乱状态向部分有序状态逐步转变。

干燥

干燥工序,主要目的是将粘于丝条上的萃取剂祛除烘干,以备牵伸之用。这道工序控制起来,看似简单,实为较难,在工艺温度及张力上稍有掌握不当,就会产生大量的并丝、僵丝现象,导致半成品丝束无法继续加工。干燥温度和干燥长度的把握是其关键所在。此工序不可小视,它直接关系到后牵伸的产品质量。

加热牵伸

超高分子量聚乙烯纤维的牵伸与常规涤纶短纤的牵伸工艺,从形式上看基本一样,但要求控制的精度大有不同。此纤维必须采取多级牵伸方式,才能达到高强、高模的特性。每一级欠牵伸过程中,分子间结构都有很大的变化。随着拉伸,大分子间由无序状向有序状,定向排列,结晶度也随之逐渐提高。只有在纤维的大分子沿纤维轴向的取向度提高,大分子链产生的数量就多,抱合力就越大,纤维的强力自然也就越高。纤维的结晶度提高,初始模量也自然提高,纤维在抗外力的作用下,伸长越小,变形量也越小。

纤维在牵伸过程中,牵伸倍数尽量要大,要让纤维有突然的拉伸变化,才更能促使大分子间的有序取向和高度结晶。纤维的内部结晶,是在高取向度形成的同时,发生结晶转变的。由于此种纤维的分子量较高,抗外力的作用强,生产上只能采取热拉伸工艺。所以,需配有较高的拉伸温度,才能实现高倍牵伸。每一级拉伸,温度不一,要根据丝条在以前工序中的状态而定,没有定数,但一定要在纤维自身能承受的温度范围以内。生产中,一般不超过摄氏温度155度。否则,会有硬丝,僵丝的产生。

卷绕成型

丝卷成型的要求:丝筒无塌边,无毛边,丝束要定长,定重。所谓定长、定重,决不是简单的指,对丝束长度、重量的要求,它的内涵很深,若能准确把握,是非常困难的。它是在要求,所有的生产工序必须很正常、很稳定,纤维的纤度只有始终均匀一致,才能有所保障。倘若谁能真正做到定长、定重的技术水平,谁就达到了高强纤维这一领域里的顶峰。

从防弹头盔来解析超高分子量聚乙烯纤维的制造工序(组图)

超高分子量聚乙烯纤维的应用前景

由于超高分子量聚乙烯纤维具有众多的优异特性,它在高性能纤维市场上,包括从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大的优势,在现代化战争和航空、航天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。

国防方面

由于该纤维的耐冲击性能好,比能量吸收大,在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料,如直升飞机、坦克和舰船的装甲防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌等,其中以防弹衣的应用最为引人注目。它具有轻柔的优点,防弹效果优于芳纶,现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。另外超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值U/p是钢的10倍,是玻璃纤维和芳纶的2倍多。国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。

航空方面

在航天工程中,由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好,适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索,取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳索,其发展速度异常迅速。

民用方面

(1)绳索、缆绳方面的应用:用该纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具适用于海洋工程,是该纤维的最初用途。普遍用于负力绳索、重载绳索、救捞绳、拖拽绳、帆船索和钓鱼线等。该纤维制成的绳索,在自重下的断裂长度是钢绳的8倍,是芳纶的2倍。该绳索用于超级油轮、海洋操作平台、灯塔等的固定锚绳,解决了以往使用钢缆遇到的锈蚀和尼龙、聚酯缆绳遇到的腐蚀、水解、紫外降解等引起缆绳强度降低和断裂,需经常进行更换的问题。

(2)体育器材用品:在体育用品上已经制成安全帽、滑雪板、帆轮板、钓竿、球拍及自行车、滑翔板、超轻量飞机零部件等,其性能较传统材料为好。

(3)用作生物材料:该纤维增强复合材料用于牙托材料、医用移植物和整形缝合等方面,它的生物相容性和耐久性都较好,并具有高的稳定性,不会引起过敏,已作临床应用。还用于医用手套和其他医疗措施等方面。

(4)工业上,该纤维及其复合材料可用作耐压容器、传送带、过滤材料、汽车缓冲板等;建筑方面可以用作墙体、隔板结构等,用它作增强水泥复合材料可以改善水泥的韧度,提高其抗冲击性能。

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[来源:湖南中泰特种装备有限责任公司责任编辑:admin]
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