Fibra de polietileno coloreada de alta resistencia y procedimiento de preparación de la misma.

Una fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia,

en la que la superficie de la fibra de polietileno coloreada de alta resistencia está cubierta por múltiples colores, griso negro, siendo la resistencia a la tracción de la fibra de polietileno coloreada de alta resistencia de 15 a 50 cN/dtexy siendo el módulo de elasticidad en tracción de la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de altaresistencia de 400 a 2.000 cN/dtex,

caracterizada porque

la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia se prepara a partir de polietileno depeso molecular ultraalto e incluye además pigmentos inorgánicos, teniendo los pigmentos inorgánicos un tamaño departícula inferior a 1 mm y una relación de peso con el polietileno de peso molecular ultraalto comprendida entre el 115 y el 3 %.

Fibra de polietileno coloreada de alta resistencia y procedimiento de preparación de la misma

CAMPO TÉCNICO

La presente invención no se refiere sólo a una clase de fibra de polietileno de alta resistencia, especialmente a una clase de fibra de polietileno coloreada de alta resistencia, sino también a su procedimiento de preparación y aplicación.

TÉCNICA ANTERIOR

La fibra de polietileno de alta resistencia (HS-PE) es una fibra sintética bien conocida con alta resistencia y módulo, que se produce a partir de polietileno de peso molecular ultraalto (PEPMUA) con un peso molecular superior a 1.000.000. Actualmente, la fibra HS-PE se considera una de las tres fibras de más alto rendimiento en el mundo junto con la fibra de aramida y la fibra de carbono. Debido a su alta resistencia, alto módulo y baja densidad, la fibra PEPMUA desempeña un papel importante no sólo en la guerra moderna, los dispositivos de defensa y el campo aeroespacial, sino también en ámbitos civiles.

En la actualidad, las fibras HS-PE se producen principalmente a partir de PEPMUA mediante el denominado procedimiento de hilado en estado de gel y estiramiento ultratérmico. Sin embargo, durante estos dos procedimientos, el PEPMUA, como una cadena de macromoléculas larga y flexible, tiene tendencia a enmarañarse. Con el fin de evitar este problema, el PEPMUA debe disolverse en el disolvente, lo que podría aumentar la distancia de las cadenas de macromoléculas diluyendo la concentración de PEPMUA. La fibra HS-PE con cadenas extendidas podría obtenerse mediante estiramiento ultratérmico y tropismo molecular de las fibras de precursor de gel de PEPMUA con puntos de enmarañamiento de las macromoléculas moderados. Los principales procesos tecnológicos del procedimiento están compuestos por cinco etapas: (1) obtener una solución de hilado disolviendo el PEPMUA en un disolvente; (2) obtener fibras de precursor húmedas embebidas en el disolvente con enmarañamientos moderados de las cadenas moleculares por extrusión de la solución a partir de un orificio de la hilera y curado por enfriamiento rápido en aire o agua; (3) eliminar el disolvente mediante algún disolvente de extracción; (4) secar la fibra de precursor en un horno; (5) obtener fibras HS-PE con cristal de cadena extendido por estiramiento ultratérmico de las fibras de precursor.

La patente japonesa n.º 7.238.416 desvela un procedimiento para la preparación de fibras HS-PE por

evaporación activa del disolvente durante el procedimiento de hilado en seco, y sus parámetros específicos del procedimiento son los siguientes: en primer lugar se disuelve PEPMUA (5~50 %) en un disolvente volátil (95~50 %) , a continuación, se transfieren las fibras de precursor obtenidas por extrusión térmica a través de un cilindro de hilado. Durante este procedimiento, más del 40 % del disolvente se evapora mediante flujo de aire caliente estable para purga continua en el cilindro. El disolvente residual puede eliminarse durante un procedimiento de estiramiento por calor. En esta patente, el problema de adhesión del hilado podría resolverse formando fibras de precursor semisecas a través de la eliminación activa de disolvente parcial en el procedimiento de hilado. Sin embargo, dado que la evaporación del disolvente tiene lugar tanto en el procedimiento de hilado como en el de estiramiento por calor, las pruebas de ignifugación y de explosión y la recuperación del disolvente deben realizarse por separado durante los procedimientos de hilado y estiramiento. Obviamente, estas operaciones aumentan la inversión en 45 equipo y dificultan la recuperación del disolvente, lo cual no resulta apropiado para producción industrial a gran escala.

La alta resistencia es el principal objetivo de la actual tecnología de procesamiento y la resistencia a la tracción de fibras HS-PE, que normalmente son blancas y principalmente de más de 30 cN/dtex. Debido a la 50 complejidad del procedimiento de producción y el alto precio, la fibra HS-PE suele usarse en el ámbito militar. Sin embargo, fibras de polietileno con una resistencia a la tracción comprendida entre 15 y 30 cN/dtex podrían ya satisfacer los requisitos de la aplicación en el ámbito civil. Por tanto, resulta un derroche no sólo de rendimiento de la fibra sino también de recursos usar fibra de polietileno con una resistencia a la tracción superior a 30 cN/dtex en el ámbito civil. Y el aumento de coste limitaba su aplicación en el ámbito civil. Además, en algunos campos de 55 aplicación, como las redes de cuerdas, existe normalmente el requisito de ciertos colores. Sin embargo, es difícil colorear estas fibras mediante procedimientos generales, ya que en las cadenas macromoleculares de PEPMUA no existen otros grupos funcionales que el enlace C-H, lo que hace difícil combinar moléculas de colorante con las fibras. Se han comunicado pocos trabajos relativos al procedimiento de preparación de fibras HS-PE coloreadas.

El documento WO-2004/053.212-A1 describe un procedimiento para producir fibras de poliolefina por medio de un procedimiento de hilado en estado de gel que produce una hebra que tiene alta resistencia a la tracción y altos módulos de elasticidad en tracción. Con ello, las fibras pueden incluir colorantes que tienen un comportamiento de coloración inestable.

El documento EP-0.721.021-A2 describe una película de resina termoplástica que comprende polietileno de alta densidad mezclado con el 15 % en peso de pigmento. La película tiene una alta resistencia a la tracción y un alto módulo de elasticidad en tracción.

El documento US-5.613.987-A describe una fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto y alta tenacidad que tiene una resistencia a la tracción de al menos 28 g/d y un módulo de tracción de al menos 700 g/d. La fibra está hecha de una solución de polietileno de peso molecular ultraalto y un colorante.

El documento JP-2005-213.674-A describe una fibra de poliolefina de alta resistencia que tiene una resistencia de aproximadamente 15 cN/dtex y un módulo de elasticidad de aproximadamente 500 cN/dtex. La fibra está hecha de una mezcla de poliolefina y pigmento colorante.

Partiendo de la técnica anterior citada, el objeto de la presente solicitud es proporcionar una fibra de polietileno coloreada de alta resistencia que esté coloreada uniformemente por múltiples colores, gris o negro, sin reducir la resistencia a la tracción y los módulos de elasticidad en tracción en comparación con una fibra no coloreada.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objeto mencionado anteriormente se resuelve mediante la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según la reivindicación 1 así como los procedimientos para producir una fibra de polietileno coloreada según las reivindicaciones 5 y 7. En las reivindicaciones dependientes correspondientes se describen mejoras ventajosas de la invención.

Según la presente invención, se proporciona una clase de fibras HS-PE (fibra de polietileno de peso molecular ultraalto de alta resistencia) coloreadas, cuyas superficies pueden estar cubiertas con múltiples colores, gris o negro.

La fibra HS-PE puede tener una resistencia a la tracción comprendida entre 15 y 50 cN/dtex,

siendo el módulo de elasticidad en tracción de 400 a 1.000 cN/dtex, con el número de filamentos comprendido entre 4 y 5 dtex y siendo la elongación en la rotura inferior al 3, 5 %.

Cuando la resistencia a la tracción de la fibra HS-PE coloreada desvelada en la presente invención está comprendida entre 15 y 30 cN/dtex, puede aplicarse generalmente en, pero sin limitarse a, los ámbitos civiles 40 descritos a continuación: (1) Región de ingeniería marítima: cuerdas, cables, velas y aparejos de pesca, y otros; (2) equipos de deportes: casco de seguridad, planchas de skiboard, planchas de vela, cañas de pescar, raquetas, partes superligeras de bicicletas, deslizadores y aviones, y otros; (3) material biológico: material odontológico, injertos médicos, cirugía plástica y otros. Debido a ventajas como la buena biocompatibilidad y durabilidad, la alta estabilidad y la ausencia de alergias, los compuestos reforzados con fibra se han aplicado en uso clínico. Además,

se están usando en guantes médicos y otros equipos médicos; (4) materiales industriales: la fibra y sus materiales compuestos pueden usarse como vasos de presión, cintas transportadoras, materiales de filtro, parachoques de automóviles y otros. Además, la fibra y sus materiales compuestos pueden usarse como muros, estructuras divisorias y otros materiales de construcción. La tenacidad del hormigón puede mejorarse cuando se usa la fibra como materiales compuestos de cemento reforzado.... [Seguir leyendo]

1. Una fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia,

en la que la superficie de la fibra de polietileno coloreada de alta resistencia está cubierta por múltiples colores, gris o negro, siendo la resistencia a la tracción de la fibra de polietileno coloreada de alta resistencia de 15 a 50 cN/dtex y siendo el módulo de elasticidad en tracción de la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia de 400 a 2.000 cN/dtex,

caracterizada porque la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia se prepara a partir de polietileno de peso molecular ultraalto e incluye además pigmentos inorgánicos, teniendo los pigmentos inorgánicos un tamaño de partícula inferior a 1 µm y una relación de peso con el polietileno de peso molecular ultraalto comprendida entre el 1

y el 3 %.

2. La fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según la reivindicación 1 caracterizada porque la resistencia a la tracción de la misma es de 15 a 50 cN/dtex y el módulo de elasticidad en tracción es de 400 a 2.000 cN/dtex.

3. La fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según la reivindicación 1 caracterizada porque la resistencia a la tracción de la misma es de 30 a 50 cN/dtex.

4. La fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según la reivindicación

1, caracterizada porque los pigmentos inorgánicos contienen, pero no se limitan a, los siguientes materiales: azul ultramar, azul de ftalocianina, verde de óxido de cromo, verde de cromo-plomo, óxido de hierro, negro de carbono, vanadato de bismuto, amarillo de molibdato de bismuto, pigmentos de sílice con intercambio de calcio, verde de cromo-cobalto, pardo de ferrotitanio, negro de cobre-cromo, azul de hierro resistente a las sustancias alcalinas, amarillo de cromo medio resistente a la luz, azul de hierro fácilmente dispersable, amarillo de cinc-bario, verde de cinc-bario, rojo de cinc-bario, pardo de titanato de antimonio y manganeso, pigmento nacarado de mica recubierto con dióxido de titanio.

5. Procedimiento de preparación de la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que incluye un procedimiento de hilado en estado de gel, que incluye el procedimiento de preparación de la fibra de precursor mediante hinchamiento de un polietileno de peso molecular ultraalto en disolvente, caracterizado por la adición de un colorante inorgánico con tamaño de partícula inferior a 1 µm, en el que la relación de peso del pigmento inorgánico y el polietileno de peso molecular ultraalto está comprendida entre el 1, 0 y el 3, 0 %.

6. El procedimiento de preparación de la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según la reivindicación 5 caracterizado porque incluye las etapas siguientes:

(1) Preparación de la solución de hilado: Se eligió un polietileno de peso molecular ultraalto con un peso molecular superior a 3.000.000 como componente de fibra de base, y se empleó aceite mineral blanco como disolvente.

Primero se mezclan estos dos materiales, cuya relación de peso está comprendida entre 1:7 y 1:9, y a continuación, se añaden pigmentos inorgánicos en la solución de polietileno de peso molecular ultraalto y aceite mineral. Cuando la mezcla de materiales en bruto se vuelve uniforme por calentamiento y mezclado, se transfiere al extrusor de doble tornillo para calentarla y se hace que el polietileno de peso molecular ultraalto se hinche y se disuelva para obtener la solución de hilado a temperaturas entre 100 y 300 °C.

(2) Preparación de la fibra de precursor de gel

Se obtiene el filamento líquido por extrusión de la solución de hilado desde la placa y el diámetro del poro de la placa es de aproximadamente 0, 5 a 1, 6 mm. Posteriormente, el filamento líquido tal como se ha preparado se transfirió a 55 un depósito de hilado con una temperatura entre 15 y 25 °C a través de un hueco de aire. La relación d e estirado en hueco de aire es de 4 a 8 veces. A continuación, se obtuvo fibra de precursor de gel del polietileno de peso molecular ultraalto por el enfriamiento del filamento líquido.

(3) Extracción de la fibra de gel del polietileno de peso molecular ultraalto La extracción de la fibra de gel del polietileno de peso molecular ultraalto se realiza laminando la fibra de gel en un lecho mediante un hilo y el agente de extracción es xileno. Después de la extracción, el aceite mineral blanco y el agente de extracción son recuperados en un procedimiento de separación para reciclado.

(4) Secado de la fibra de hilado Se coloca la fibra extraída en un horno y se seca con aire caliente con temperaturas entre 45 y 55 °C. El agente de extracción contenido en la fibra se recupera por la adsorción de fibra de carbono activado en un dispositivo de recuperación.

(5) Estirado y bobinado para obtener la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia Para obtener una fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia, la fibra seca se estira 15 de 1 a 3 veces después de haberla retirado del horno. Y la relación de estirado está entre 1 veces y 6 veces.

7. Procedimiento de preparación de la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que incluye un procedimiento de hilado, en el que la solución de hilado se obtiene por fusión del polietileno de peso molecular ultraalto, caracterizado por la adición de un pigmento inorgánico con tamaño de partícula inferior a 1 µm y la relación de masas entre el pigmento inorgánico y el polietileno de peso molecular ultraalto es del 1, 0 al 3, 0 %.

8. El procedimiento de preparación de la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según la reivindicación 7, caracterizado por la inclusión de las etapas siguientes: 25

(1) Mezclado de los materiales en bruto Se adopta un polietileno de peso molecular ultraalto con peso molecular medio en peso comprendido entre 1.000.000 y 3.000.000 y se añade aproximadamente del 1, 0 al 3, 0 % de pigmentos inorgánicos. Se obtiene una 30 solución uniforme por mezclado.

(2) Fusión Se obtiene polietileno fundido se obtiene por fusión de la solución de mezcla de la etapa 1) en el extrusor de doble 35 tornillo y la temperatura está comprendida entre 150 y 300 °C. Durante el procedimiento, se añade dilu yente fundido.

(3) Preparación de la nueva fibra y estiramiento Se extruye el polietileno fundido obtenido de la placa de hilado de una caja de hilado, y la velocidad de pulverización es de aproximadamente 3 a 5 m/min. Posteriormente, se obtiene la nueva fibra a través de moldeo y enfriamiento de las hilaturas extruidas mediante un aparato de insuflación. La temperatura en frío se mantiene entre 20 y 35 °C y la velocidad del viento es de aproximadamente 5 a 8 m/s. La nueva fibra es estirada en un rodillo de guía y la relación de estirado es 2 a 6 veces.

(4) Estiramiento en dos baños de aceite La nueva fibra se transfiere a dos baños de aceite rellenos con glicol mediante un rodillo de guía y se estira uniformemente. La temperatura del baño de aceite está comprendida entre 100 a 130 °C y la relación de estirado total es de 3 a 12 veces.

(5) Retirada del aceite al baño maría Se lava la fibra estirada al baño maría que contiene tensioactivos de alcohol heterogéneos con temperaturas entre 80 y 95 °C.

(6) Secado de la fibra para obtener polietileno de peso molecular ultraalto fibra de alta resistencia Después del lavado, se seca la fibra para eliminar el agua y se arrolla en un tubo para obtener una fibra de polietileno de peso molecular ultraalto de alta resistencia con la resistencia a la tracción comprendida entre 10 y 50 cN/dtex.

9. El procedimiento de preparación de una fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizada porque los pigmentos inorgánicos 5 contienen, pero no se limitan a, los siguientes materiales: azul ultramar, azul de ftalocianina, verde de óxido de cromo, verde de cromo-plomo, óxido de hierro, negro de carbono, vanadato de bismuto, amarillo de molibdato de bismuto, pigmentos de sílice con intercambio de calcio, verde de cromo-cobalto, pardo de ferrotitanio, negro de cobre-cromo, azul de hierro resistente a las sustancias alcalinas, amarillo de cromo medio resistente a la luz, azul de hierro fácilmente dispersable, amarillo de cinc-bario, verde de cinc-bario, rojo de cinc-bario, pardo de titanato de antimonio y manganeso, pigmento nacarado de mica recubierto con dióxido de titanio.

10. Uso de la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en los ámbitos de la ingeniería marítima, equipos deportivos, materiales biológicos, materiales industriales y/u otros materiales de construcción.

11. Uso de la fibra de polietileno coloreada de peso molecular ultraalto de alta resistencia según la reivindicación 3 en los ámbitos de equipamientos de defensa y/o estructura de los extremos de las naves espaciales y aviones.