揭示分子量对高度取向UHMWPE纤维强度的作用
吴敬寒 杨添淏 王柯* 张琴 傅强*
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是三大高性能纤维之一，具有高强度、高模量、低密度、抗冲击、耐腐蚀等优异性能，高端高强度UHMWPE纤维更是作为防弹UD布的主要材料，有着极其重要的军事价值。为了推动防弹装备的轻量化与防弹能力同步提升，提高UHMWPE纤维的强度是十分必要的。目前，凝胶纺丝法制备高强度UHMWPE纤维的技术已经较为成熟，能够实现高强（＞40 cN/dtex）纤维的大规模生产。但是当下工业化产品纤维的强度距离理论极限值仍有较大差距，并且对于纤维强度的进一步提高缺乏理论指导。尽管UHMWPE纤维的最高强度由分子量（MW）限制的观点已被广泛接受，但更高MW带来的结构优势仍缺乏实验验证，影响纤维的关键结构因素也尚不明确。
在本工作中，我们选择了不同分子量的UHMWPE初生纤维，通过改变热拉过程中的拉伸比和温度，以调节UHMWPE纤维的结构和性能。结果表明，在充分的热拉伸后，各种分子量的纤维都能获得高取向度。高取向纤维强度的上限与shish晶体的含量和长度有关。shish晶体的含量和长度越高，纤维的强度就越高。由于链端缺陷较少，增加MW有利于定制高取向纤维的 shish 含量和长度，因此可以作为增强 UHMWPE 纤维的有效方法。本研究阐明了MW影响纤维强度的机制，为通过结构调控获得优异强度的纤维提供参考。
图1 纤维样品的力彩票大全软件性能
图2 利用XRD表征纤维样品的结晶度
图3 纤维样品的SAXS图像
图4 纤维样品的DSC熔融曲线
图5 利用2D-WAXD表征纤维样品的取向度
图6 纤维强度与shish晶含量和长度的关系
图7 在高度取向的情况下，不同分子量纤维的强度和聚集态结构示意图
相关成果以“Revealing the role of molecular weight on mechanical reinforcement of highly oriented UHMWPE fibers”的论文发表在POLYMER期刊上，四川大彩票大全软件高分子科彩票大全软件与工程彩票大全软件院硕士研究生吴敬寒为本文第一作者，傅强教授和王柯教授为本文通讯作者。该研究得到了国家自然科彩票大全软件基金（52233002）的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2024.127953