高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将聚乙烯粉料、混合溶剂与抗氧剂一起加压加热搅拌溶胀，得到溶胀体的悬浮液；步骤2：将步骤1得到的悬浮液降压闪蒸，低沸点的溶剂A分离缓存于缓冲罐，闪蒸后的悬浮液排出；步骤3：将步骤2得到的悬浮液喂入双螺杆挤出机进行高温溶解，使分子链在双螺杆混炼下彻底解缠，得到高浓度聚乙烯纤维纺丝溶液。与现有技术相比，本发明专利技术在溶胀过程完成后，通过闪蒸对溶胀悬浮液迅速降温，防止过溶胀现象，可以制备聚乙烯质量分数为15％‑50％的均匀聚乙烯纺丝溶液，减少溶剂萃取步骤，大幅提高生产效率；同时闪蒸所产生的低沸点溶剂通过冷凝回收可循环利用，大幅降低生产成本。

Method for preparing high concentration ultrahigh molecular weight polyethylene fibre spinning solution

The invention relates to a preparation method of polyethylene fiber spinning solution with a high concentration of ultra high molecular weight, which comprises the following steps: Step 1: polyethylene powder and mixed solvent together with antioxidant pressurized heating and stirring by suspension swelling, swelling body; step 2: Step 1 the suspension of antihypertensive flash, low boiling point A cache to buffer tank of solvent separation, suspension flash after discharge; step 3: Step 2 suspension was fed into a double screw extruder to high temperature dissolving, mixing thoroughly the molecular chain unwrapping in twin screw, a high concentration of polyethylene fiber spinning solution. Compared with the prior art, the invention in the swelling process is completed by rapid cooling to prevent flash suspension swelling, swelling, can be prepared for the uniform mass fraction of polyethylene polyethylene 15% spinning solution 50%, reduce the solvent extraction step, greatly improve the production efficiency; low boiling point solvent and flash generated by condensation recovery can be recycled, greatly reducing the production cost.

【技术实现步骤摘要】
高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法
本专利技术属于高分子材料
，涉及一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法。
技术介绍
随着科学技术突飞猛进的发展,工程技术界对特种纤维的需求在不断增长，超高分子量聚乙烯纤维就是在这种趋势下，继碳纤维和芳纶之后出现的又一种高性能纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有优异的性能和广泛的用途，其原材料易得，制备工艺较简易。超高分子量聚乙烯纤维具有轻质高强、使用周期长、耐磨、高强、耐湿、耐腐蚀等特性，而普遍用于拖曳绳、负力绳索、救捞绳、防切割手套等。同时，由于超高分子量聚乙烯纤维具有耐冲击性能好，比能量吸收大，在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料等。超高分子量聚乙烯纤维的复合材料同样具有高强和极强的防撞击性能，在航空航天方面，适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。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。由于超高分子量聚乙烯纤维复合材料的生物相容性，在医用方面，也可用于牙托、假肢、医用手套等。近几年，对超高分子量聚乙烯纺丝的方法主要有：固体挤出法、超拉伸法、表面结晶生长法、冻胶纺法等。20世纪70年代末，利用冻胶丝超拉伸方法制备超高分子量聚乙烯高强高模纤维获得成功。由于该项技术被认为是最有可能用于商业化生产高强高模聚乙烯纤维的方法，而受到国际上的广泛关注，并且很快实施了小规模的工业化生产。通过实践和理论分析发现冻胶纺法具有高效、高强等其他聚乙烯纺丝方法无可比拟的优势，因此冻胶纺法也得到了极大的发展，成为现在主流的聚乙烯纺丝方法。冻胶纺丝通过对超高分子量聚乙烯粉末与抗氧剂、溶剂配制成超高分子量聚乙烯半稀溶液，经高温溶解，喷丝孔定量挤出,然后以空气或水对纺丝原液骤冷至冻胶化温度以下成为冻胶原丝。原丝再进行脱溶剂处理，冻胶原丝由高度溶胀的冻胶状态转变为有大量孔隙的超高分子量聚乙烯大分子网络结构，在该状态下，超高分子量聚乙烯的大分子保持着解缠后的低缠结状态。通过后续的近熔融温度的多倍拉伸，使解缠的大分子产生取向结晶。冻胶纺丝的溶剂可分为低沸点挥发性溶剂如十氢萘，与高沸点不挥发性溶剂，如白油。使用高沸点溶剂在脱溶剂处理时需要增加溶剂的萃取步骤，增加了工艺的复杂性，但是所用溶剂的成本较低；使用低沸点溶剂的溶剂成本较高，对工艺流程的控制也需要更精密，但是步骤简化，产率更高。目前的技术对分离得到的溶剂很难做到回收再利用，即使通过回收利用其成本也较高，因此溶剂的使用成为冻胶纺丝的主要成本消耗。纺丝溶液的浓度越高，产率越高，溶剂使用量越少，成本越低，但是在传统的冻胶纺丝方法中过高的溶液浓度，会导致原料溶解不均匀，解缠不完全，进而在双螺杆口模的出口出现断丝或者堵口模现象，严重影响生产过程，并且成品丝容易出现缺陷，导致力学性能下降，这也是目前限制纺丝溶液浓度提高的主要矛盾。为了能够进一步提高纺丝溶液的浓度，同时避免断丝以及力学性能下降，CN101956238B将超高分子量聚乙烯溶解液与超高分子量聚乙烯溶胀液按照重量比为0.42-2.85的比例混合得到超高分子量聚乙烯重量含量为10％-15％的纺丝原液，CN101575743B通过储料仓对溶胀悬浮液冷却，得到质量比为4％-25％的纺丝原液，这两者虽然可以略微提高了纺丝溶液的浓度，但是操作复杂，效率较低，与提高溶液浓度所降低成本综合衡算，成本降低并不明显。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不降低超高分子量聚乙烯纤维的力学性能与加工性能的情况下、降低成本的高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将分子量为100万-800万的聚乙烯粉料、混合溶剂与抗氧剂一起加入反应釜(1)中加压加热搅拌溶胀，得到溶胀体的悬浮液；步骤2：将步骤1得到的悬浮液，依靠反应釜(1)本身的压力，通过控制卸料阀开度，输送至闪蒸罐(2)中降压闪蒸，低沸点的溶剂A在闪蒸罐(2)中分离，闪蒸后的悬浮液由闪蒸罐(2)底部排出；闪蒸出的低沸点溶剂A缓存于缓冲罐(3)中；步骤3：将步骤2得到的悬浮液喂入双螺杆挤出机(7)进行高温溶解，使分子链在双螺杆混炼下彻底解缠，双螺杆的温度范围为120℃-200℃，转速为30r/min-200r/min，得到高浓度聚乙烯纤维纺丝溶液。所述的混合溶剂为质量比1：9～9：1的低沸点溶剂A与高沸点溶剂B的混合物；所述的低沸点溶剂A是乙醇、乙醚、丙酮、环己酮、2-甲基戊酮、正己烷、乙酸甲酯、乙酸乙酯、三氯三氟乙烷、二乙醚、二噁烷中的一种或几种的混合物；所述的高沸点溶剂B是煤油、白油、石蜡油中的一种或几种的混合物。所述的低沸点溶剂A与高沸点溶剂B的质量比为3：7～7：3。所述的低沸点溶剂A与高沸点溶剂B的质量比为4～6:6～4。。所述的聚乙烯粉料的平均粒径为10μm-200μm，聚乙烯粉料和混合溶剂质量比为3-15：100；所述的抗氧剂的添加量为溶质质量的1％-5％。所述的聚乙烯粉料的和混合溶剂质量比为5-15：100。所述的聚乙烯粉料的和混合溶剂质量比为10-15：100。步骤(1)所述反应釜(1)中加压加热搅拌溶胀的溶胀温度为90℃～130℃，溶胀压力为0.5MPa～5MPa，溶胀时间为20分钟～180分钟，搅拌速率为60r/min-300r/min。所述的抗氧剂为2,6-二叔丁基对甲酚、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯)丙酸十八烷基酯(1076)或四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(1010)中的一种或几种混合。步骤(3)所得高浓度聚乙烯纤维纺丝溶液通过口模挤出后进行后续纺丝流程，进行纺丝流程时，所需的溶剂萃取步骤可减少一到二次；步骤2缓存于缓冲罐(3)的低沸点溶剂经冷凝器(5)后,得到液态低沸点溶剂A，回收至收集罐(4)中，在反应釜(1)加料阶段，通过溶剂输送泵(6)输送低沸点溶剂A至反应釜中循环使用。与现有技术相比，本专利技术首先通过使用混合溶剂进行超高分子量聚乙烯的溶解，成本较高的低沸点溶剂可以通过闪蒸回收，而高沸点溶剂成本较低，因此溶剂成本大幅降低；在闪蒸过程中，首先保留了颗粒的多孔溶胀状态，同时起到了CN101575743B中储料仓对悬浮液冷却的效果，使得在高温超高分子量聚乙烯溶胀体下更易被溶解，制成更高浓度溶液，同时萃取剂用量也大幅降低，萃取所需步骤减少，产率大幅上升。附图说明图1为本专利技术方法流程示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例中聚乙烯原料的表征数据由以下方法获得：拉伸性能：采用《ASTMD885M》的方法与设备，对成品丝的拉伸强度以及拉伸模量进行测试。实施例1如图1所示，高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取重均分子量为150万的超高分子量聚乙烯15kg、乙酸乙酯67kg、煤油18kg、抗氧剂10100.45kg投入反应釜1。反应釜1温度为110℃-121℃，压力为1MPa，搅拌速度为200r/min，溶胀时间40分钟。步骤2：依靠反应釜1本身的压力，通过控制卸料阀开度，将溶胀后的悬浮液输送至闪蒸罐2中降本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将分子量为100万‑800万的聚乙烯粉料、混合溶剂与抗氧剂一起加入反应釜(1)中加压加热搅拌溶胀，得到溶胀体的悬浮液；步骤2：将步骤1得到的悬浮液，依靠反应釜(1)本身的压力，通过控制卸料阀开度，输送至闪蒸罐(2)中降压闪蒸，低沸点的溶剂A在闪蒸罐(2)中分离，闪蒸后的悬浮液由闪蒸罐(2)底部排出；闪蒸出的低沸点溶剂A缓存于缓冲罐(3)中；步骤3：将步骤2得到的悬浮液喂入双螺杆挤出机(7)进行高温溶解，使分子链在双螺杆混炼下彻底解缠，双螺杆的温度范围为120℃‑200℃，转速为30r/min‑200r/min，得到高浓度聚乙烯纤维纺丝溶液。

【技术特征摘要】
1.一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将分子量为100万-800万的聚乙烯粉料、混合溶剂与抗氧剂一起加入反应釜(1)中加压加热搅拌溶胀，得到溶胀体的悬浮液；步骤2：将步骤1得到的悬浮液，依靠反应釜(1)本身的压力，通过控制卸料阀开度，输送至闪蒸罐(2)中降压闪蒸，低沸点的溶剂A在闪蒸罐(2)中分离，闪蒸后的悬浮液由闪蒸罐(2)底部排出；闪蒸出的低沸点溶剂A缓存于缓冲罐(3)中；步骤3：将步骤2得到的悬浮液喂入双螺杆挤出机(7)进行高温溶解，使分子链在双螺杆混炼下彻底解缠，双螺杆的温度范围为120℃-200℃，转速为30r/min-200r/min，得到高浓度聚乙烯纤维纺丝溶液。2.根据权利要求1所述的一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，其特征在于，所述的混合溶剂为质量比1：9～9：1的低沸点溶剂A与高沸点溶剂B的混合物；所述的低沸点溶剂A是乙醇、乙醚、丙酮、环己酮、2-甲基戊酮、正己烷、乙酸甲酯、乙酸乙酯、三氯三氟乙烷、二乙醚、二噁烷中的一种或几种的混合物；所述的高沸点溶剂B是煤油、白油、石蜡油中的一种或几种的混合物。3.根据权利要求2所述的一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，其特征在于，所述的低沸点溶剂A与高沸点溶剂B的质量比为3：7～7：3。4.根据权利要求2或3所述的一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，其特征在于，所述的低沸点溶剂A与高沸点溶剂B的质量比为4～6:6～4。5.根据权利要求1所述的一种高浓度超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建龙，叶纯麟，肖明威，张振飞，
申请(专利权)人：上海化工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31