一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝方法技术

本发明专利技术涉及一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法，属于高分子材料制备技术领域。该方法包括：首先使二甲苯溶剂和超高分子量聚乙烯粉料、助剂充分混合溶解；溶解后的物料经过过滤、脱泡后通过螺杆挤出机挤出，经过计量泵和纺丝箱体、喷丝板喷出后，凝固成型；然后通过热气干燥除去纤维中的二甲苯后进行热牵伸，最终卷绕成成品。本发明专利技术还包括干燥除去的二甲苯经过冷凝、吸附分离或者膜分离等方法与氮气或者二氧化碳分离后循环使用，分离出的氮气或者二氧化碳循环使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高分子材料制备
，特别涉及一种超高分子量聚乙烯纤维生产的采 用二甲苯为溶剂的干法纺丝工艺方法。
技术介绍
超高分子量聚乙烯纤维，又称高强度高模量聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、高性 能聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量、高取向度等特性，广泛用于 防弹防护用品、绳索、缆绳、运动器材的制造。超高分子量聚乙烯纤维是现在世界上比强 度最高的商业化高性能纤维。超高分子量聚乙烯纤维的原料聚乙烯的相对分子量必须大于100万，最好大于400万。1979年荷兰DSM公司的P.Smith和RJ丄emstra专利技术了凝胶纺丝法生产超高分子量聚乙 烯纤维的工艺，并取得了英国专利GB2042414和GB2051667。 1982年美国的AlliedSignal 公司(1999年与Honeywell公司合并，称Honeywell公司)也提出了自己的生产超高分子 量聚乙烯纤维的专利US4413110。 DSM公司于1990年实现了凝胶纺丝法制超高分子量聚 乙烯纤维的工业化生产。常见的凝胶纺丝法制造超高分子量聚乙烯纤维的主要工艺步骤有将超高分子量聚乙 烯溶于第一溶剂配制成聚乙烯溶液，由螺杆挤出机挤出，经纺丝箱体喷出后，冷却凝固成 凝胶纤维，称为初生纤维，再用挥发性的第二溶剂萃取出第一溶剂，最后进行超倍数热牵 伸的牵伸和热定型工艺，最终获得成品纤维。现在世界上生产工艺主要有两大类， 一类以DSM和东洋纺为代表的干法纺丝法，另一 类以Honeywell代表的湿法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂和后续工艺。DSM 工艺，采用十氢萘溶剂。十氢萘易挥发，可以用于干法纺丝，省去了其后的萃取工段； Honeywell采用石蜡油溶剂，需要后续的萃取工段，用第二溶剂将第一溶剂萃取出来。干法纺丝相对于湿法纺丝，具有流程简单，纺丝过程较为稳定，产品均一等优点；但 是需要采用合适的溶剂，即需要有溶解性较好并且容易挥发的溶剂，另外对系统的密闭性 要求较高，对回收系统的运行效率要求较高。美国Honeywell公司在WO2006/073743中提出了一种以十氢萘等物质为溶剂的凝胶纺 丝制造超高分子量聚乙烯纤维的方法。在该专利中，超高分子量聚乙烯的十氢萘溶液经过 喷丝板挤出后，经过一个纺丝甬寧或者水槽，通过气体或者液体冷却溶液形成初生纤维， 然后干燥除去纤维中残存的十氢萘，接着进行热牵伸，最后巻绕成型。干燥和冷却的气体 采用氮气或者二氧化碳，含有十氢萘的废气采用冷凝或者吸附分离的方法进行净化分离。 分离出的十氢萘和洁净气体循环使用。该专利提出可以使用的溶剂除了十氢萘，还有1，2-二氯苯。十氢萘是超高分子量聚乙烯的良好溶剂，并且易挥发，是现行的干法纺丝生产超高分 子量聚乙烯纤维过程中采用的溶剂。但是十氢萘有毒，并且价格高，不易大量获得。十氢 萘易燃，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。十氢萘的闪点为57.78'C，爆炸极限为0.7 4.9%。 与氧化剂能发生强烈反应。接触空气或在光照条件下可生成具有潜在爆炸危险性的过氧化 物。采用十氢萘工艺，对系统的密闭性和回收系统的效率要求高，生产成本较高。四氢萘 也具有十氢萘类似的特性及优缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有干法纺丝工艺的不足之处，提出一种超高分子量聚乙烯纤 维制备的干法纺丝工艺方法。该工艺采用二甲苯作为溶剂溶解超高分子量聚乙烯，制成溶 液。整条生产线除巻绕工序外，都可在密闭条件下迸行生产，具有生产成本较低的优点。本专利技术提出的，其特征在于采 用二甲苯为溶剂进行干法纺丝工艺，包括 1) 进料工段首先使二甲苯溶剂和超高分子量聚乙烯粉料、助剂充分混合溶解；2) 溶解后的物料经过过滤、脱泡后通过螺杆挤出机挤出，经过计量泵和纺丝箱体、 喷丝板喷出后，凝固成型；3) 然后通过热气干燥除去纤维中的二甲苯后进行热牵伸，最终巻绕成成品。 上述步骤l)具体包括11) 将二甲苯溶剂、超高分子量聚乙烯粉料和助剂加入搅拌釜中进行初溶解，时间为5~20小时，温度为90 130'C，最好为100~125°C，所述各成分的重量占总量的百分数为 超高分子量聚乙烯粉料的含量为0.5~5%，(此步骤加入量占总超高分子量聚乙烯加入量的 5~50%)，各种助剂的总含量不超过5%，其余为二甲苯溶剂；12) 初溶解后的物料进入第二个搅拌釜，再加超高分子量聚乙烯粉料，使超高分子量 聚乙烯的含量最终为1~10% (该段聚乙烯的加入量占总加入量的50 95%)，搅拌溶解，时 间为5~25个小时(最好为7~10小时)，温度为85~130°C (最好为105 125°C)。上述11)、 12)两个步骤也可用上个步骤完成，即将高分子量聚乙烯粉料的用量一取 性与二甲苯溶剂和助剂充分混合溶解。上述步骤1)所述的溶剂二甲苯为间二甲苯，或者邻二甲苯，或者对二甲苯，或者其 中两种或者三种的混合物。上述步骤1)所述的助剂为表面活性剂、抗氧化剂、流动促进剂其中的一种或者几种 的混合物。上述步骤2)中的凝固成型可以采用凝固浴凝固成型或冷却气体风冷冷凝成型，具体 内容分别说明如下第一种采用凝固浴凝固成型:超高分子量聚乙烯溶液从喷丝板挤出后,经过长度为1~10 厘米的气体段后进入凝固浴(凝固浴液体主要成分为水和含量不超过总量5%的表面活性 剂等助剂)；气体段置于一个下端开口的纺丝甬道中，甬道的下端浸入纺丝凝固浴的液面 以下，甬道的一侧设有气体入口，另一侧设有气体出口 (气体为氮气或者二氧化碳)，温 度为30 11(TC (一般40 8(TC,最好为60~70°C，如果气体温度过高，二甲苯挥发速度过 快，会形成较多较大的孔洞，易在该段形成断丝和毛丝等。如果气体温度过低，凝固速度 过快，不利于溶剂二甲苯挥发)；丝条进入凝固浴后凝固成型，凝固浴的温度为5~30°C (最 好为15~20°C)。上述步骤中凝固浴液体经过油水分离器分离出二甲苯，打回步骤1)的进料段循环使 用；水分由泵送回凝固水槽循环使用(根据溶液的二甲苯含量和纺丝速度，确定凝固浴液 体的处理量，以保证凝固水槽中二甲苯含量保持稳定)。第二种完全采用冷却气体风冷冷凝成型。溶液从喷丝板挤出后，经过长度为50~110厘 米的一段纺丝甬道，经氮气或者二氧化碳、或者空气吹扫降温后凝固成型；氮气或者二氧 化碳的温度为30~100°C,最好为30 70'C。上述步骤3)的干燥处理凝固成型后的纤维为初生纤维，需要除去内部残存的二甲 苯溶剂。下-燥工段置于密封罩内。干燥气体为空气，或者氮气，或者二氧化碳,温度为30-110 。C ， 一般为35~70。C ，最好为40~60。C;干燥后的纤维中二甲苯的含量很少， 一般低于1%。然后进入热牵伸工段进行牵伸。上述步骤3)的热牵伸工段也在密封罩中进行，罩内充入氮气或者二氧化碳，温度为 100~140°C。牵伸为多级牵伸，可以为二级，或者三级，或者四级牵伸。牵伸机为四辊牵 伸机，或者七辊牵伸机，或者其它类型的牵伸机。牵伸完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型，制成最终产品。本专利技术还包括从步骤2)、 3)排出的含有二甲苯的废气，先通过换热器降温，然后 通过压縮^l加压，然后进入冷凝器冷凝出部分液体二甲苯，分离出的二甲苯回进料段循环 使用。从冷凝器排出的气体，进入膜分离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法，其特征在于：采用二甲苯为溶剂进行干法纺丝工艺，包括：１）首先使二甲苯溶剂和超高分子量聚乙烯粉料、助剂充分混合溶解；２）溶解后的物料经过过滤、脱泡后通过螺杆挤出机挤出，经过计量泵和纺丝箱体、喷丝板喷出后，凝固成型；３）然后通过热气干燥除去纤维中的二甲苯后进行热牵伸，最终卷绕成成品。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹晔东，
申请(专利权)人：北京特斯顿新材料技术发展有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]