一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法及纤维技术

本发明专利技术涉及一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其包括：S1:将分子量60万～800万的超高分子量聚乙烯粉料、溶剂、表面活性剂通过减重加料法加入到第一螺杆挤出机，第一螺杆挤出机的螺杆各区温度由低到高控制在80～135℃，制得溶胀状态的物料；S2：将S1制得的溶胀状态的物料送入第二双螺杆挤出机，第二双螺杆挤出机各区温度由低到高控制在140～220℃，物料通过第二双螺杆挤出机溶解挤出，过凝固浴冷却成型，制得凝胶初生纤维；S3:将S2制得的凝胶初生纤维经萃取、干燥，再经多级热牵伸制得超高分子量聚乙烯纤维。本发明专利技术采用减重加料法，能提高纤维的均匀性，第一螺杆挤出机和第二双螺杆挤出机的螺杆各区的温度均较低，减少超高分子聚乙烯的降解，提升成品纤维的强度等品质。

Preparation and Fiber of Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Fiber

The invention relates to a preparation method of ultra-high molecular weight polyethylene fibers, which includes: S1: adding ultra-high molecular weight polyethylene powder, solvent and surfactant with molecular weight of 600,000-8,000,000 to the first screw extruder by weight-reducing feeding method, the temperature of each screw zone of the first screw extruder is controlled from low to high at 80-135 C, and the material in swelling state is prepared by S2: S1 is prepared; The material in the swelling state is fed into the second twin screw extruder, and the temperature of the second twin screw extruders is controlled at 140~220 degrees from low to high. The material is dissolved and extruded through a second twin screw extruder, and the gel raw fiber is prepared by cooling in a coagulation bath. S3: is used to extract and dry the gel fibers from S2, and then to produce UHMWPE fibers by multi-stage hot drawing. \u3002 The invention adopts the weight-reducing feeding method, which can improve the uniformity of the fibers. The temperature of the screw regions of the first screw extruder and the second twin screw extruder is lower, the degradation of ultra-high molecular polyethylene is reduced, and the strength of the finished fibers is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法及纤维
本专利技术属于高强纤维材料
，具体涉及一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法及该方法制成的纤维。
技术介绍
现有的制备超高分子量聚乙烯纤维，大多采用釜的形式制备超高分子量聚乙烯与溶剂的溶胀料，或溶胀料与溶解料按一定比例混合的混合料，然后通过单条双螺杆挤出机挤出成型，再经过凝固浴、萃取、干燥、多级热牵伸制成纤维。现有的技术存在以下缺陷：1)配料时采用人工称料，粉料与溶剂的用量比例波动较大，造成了成品纤维的均匀性很差；2)前期制料消耗大量的热能，增加了能耗；后期单条螺杆的各区温度均较高，为110～310℃，造成分子量降解的情况较严重，降低了纤维的性能。成品纤维强度随分子量的增大而提高，但分子量越大，分子链内缠结越严重，溶胀越困难，溶液浓度越低，若以降低原液浓度制取高强度纤维，又会造成生产效率不高，无疑对工业化生产是不可取的。3)纺丝浓度较低，一般在8～10％范围，生产效率不高，后面需要大量的萃取剂，增加了生产的成本。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，以获得均匀性更好的成品纤维，减少制备工艺中聚乙烯的降解情况，提高成品纤维的性能、节省能耗和降低生产成本。本专利技术还包括所述方法制得的聚乙烯纤维。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其包括S1:将分子量为60万～800万的超高分子量聚乙烯粉料、溶剂、表面活性剂通过减重加料法加入到第一螺杆挤出机，第一螺杆挤出机的螺杆各区温度控制在80～135℃，得到溶胀状态的物料；S2：将S1制得的溶胀状态的物料送入第二双螺杆挤出机，第二双螺杆挤出机的螺杆各区温度控制在140～220℃，物料通过第二双螺杆挤出机溶解挤出，过凝固浴冷却成型，制得凝胶初生纤维；S3:将S2制得的凝胶初生纤维经萃取、干燥，再经多级热牵伸制得超高分子量聚乙烯纤维。其中第一螺杆挤出机各区温度可按照螺杆各区所在位置依次渐变，例如由低到高在80-135℃分布；或者螺杆中间区域温度为135℃，而螺杆两端区域温度较低；或者两端区域温度较高，而中间区域的温度较低。其中第二双螺杆挤出机各区温度可按照螺杆各区所在位置依次渐变，例如由低到高在140-220℃分布；或者螺杆中间区域温度为220℃，而螺杆两端区域温度较低；或者两端区域温度较高，而中间区域的温度较低。作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S1中，所述超高分子量聚乙烯的分子量为60万～390万，390万～610万或610万～800万。优选为390万～610万；所述第一螺杆挤出机优选为双螺杆挤出机。用于混料时，第一螺杆挤出机优选使用双螺杆挤出机，其混料均匀效果优于单螺杆挤出机。选用聚乙烯粉料时，该粉料的分子量分布不宜过宽。过宽的分子量影响超高分子量聚乙烯的均匀溶胀/溶解，由于分子量不同，具有不同的溶胀、溶解温度和速率，而低分子量聚乙烯更容易溶胀和溶解，率先进入溶解阶段，引起溶液粘度剧增，并占据大量溶剂，阻碍了高分子量聚乙烯的溶解，导致制得的成品纤维均匀性很差。作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S1中，超高分子量聚乙烯粉料、溶剂、表面活性剂的质量比为11～18:100:0.05～0.06。溶液浓度过低时，聚乙烯大分子间的缠结很少或几乎不存在，导致拉伸时大分子间易缠身滑移，不利于整个超长分子量的伸展。为防止滑移，必须以极低的拉伸速率进行拉伸。这些方法无实际意义，工业化不可取。而溶液浓度较高时，溶液流动性能差，且均匀性也差，不稳定流动行为严重，所得的凝胶初生纤维中缠结数增多、大分子间缠结点过多，进行高倍拉伸时，内应力集中在缠结链上，不利于实现高倍拉伸和获得高强度和模量的成品纤维。因此只有适当浓度的溶液，即超高分子聚乙烯:溶剂质量比＝11～18:100，形成的凝胶初生纤维，才能沿拉伸方向伸展，使拉伸得以顺利地传递，才能获得高倍拉伸和成品纤维高性能化。作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S1中，所述超高分子量聚乙烯粉料为颗粒在100目以下。不同颗粒尺寸和堆砌密度的聚乙烯溶胀和溶解程度不同，粗颗粒溶解时在其表层形成高粘度的溶胀层，组织溶剂继续向内部渗透，并将未充分溶胀的颗粒粘接其表层，使纺丝原液中含有未溶解的颗粒，造成原液不均匀。优选地，颗粒粒径在100目的以下，更优选为100μm以下。作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S1中，所述溶剂为矿物油或植物油。具体地，所述矿物油为选自白油、石蜡油、石蜡、煤油及十氢萘中的一种或多种。前述溶剂可以在较低温度下溶解超高分子量聚乙烯，溶液的均匀性好，避免常规使用溶剂时需在较高温度(170℃)下长时间搅拌会使分子量激剧下降，导致成品纤维强度低。其中，十氢萘易于挥发，制得的凝胶初生纤维可不经萃取而直接拉伸，获得性能优良的超高分子量聚乙烯纤维。但石蜡油、石蜡和煤油较便宜，取代十氢萘可降低生产成本，只是石蜡油挥发性差，在拉伸过程中必须加以萃取工艺去除。选用十氢萘时，溶胀温度可控制在135℃以下。温度过低时不能使超高分子聚乙烯获得充分溶剂化，温度过高，又会使聚乙烯颗粒表面形成高粘度层，阻碍溶剂向内部渗入，同样达不到充分溶胀或溶解的作用，相反还会出现冻胶块。作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S1中，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂或非离子表面活性剂；具体地，所述表面活性剂为选自硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、烷基葡糖苷、脂肪酸甘油酯、吐温及司盘其中一种或多种。作为本专利技术一个较佳实施例，在步骤S2～步骤S3之间，还包括一个放置处理，即将步骤S2获得的凝胶初生纤维放置一预定时间，有利于相分离和部分溶剂的回收。在微观上，由于凝胶初生纤维中大分子链相互缠结形成疏松大网络，吸引和包裹了许多溶剂分子，该相中聚乙烯的浓度较高(30％～40％)，另一相主要是溶剂组成，聚乙烯浓度较低。在相分离过程中，浓相中的溶剂基本留在丝体内，稀相中的溶剂则逐渐分离出来。因此，放置有利于相分离。作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S3所用萃取剂为汽油、正己烷、正庚烷、二甲苯、四氯化碳或卤代烷烃中的一种或几种。萃取时，萃取装置中优选可加装超声波发生器以大大缩短萃取时间，提高萃取效率。优选地，可采用正庚烷作为萃取剂，在超声波中萃取，可有效保证萃取率，减少溶剂残留量，否则经牵伸后得的的纤维强度无法达到要求。作为本专利技术一个较佳实施例，在步骤S2～步骤S3之间，还包括一个预拉伸处理，即在进行萃取前进行一定程度的预拉伸，使凝胶初生纤维丝条变得更细，有利于加快萃取过程中溶剂和萃取剂的交换效率，提高萃取效率。作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S3中的多级热牵伸包括三级热拉伸，一级热拉伸在130～135℃进行，二级热拉伸在138～148℃进行，三级热拉伸在138～148℃进行，一级热拉伸的倍数大于二级热拉伸的倍数，二级拉伸倍数大于三级拉伸倍数。一级热拉伸的温度有利于获得最终的拉伸倍数，而拉伸倍数直接影响了成品纤维的强度和模量。经过多级热牵伸，在拉伸张力作用下，凝胶初生纤维丝条中松散的折叠链片晶逐渐致密化，纤维中越来越多的的具有很少缠结点的非晶区缚结分子先后被拉直靠拢形成新的晶区，从而使纤维的结晶度、取向度得到较大提高。纤维最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，其包括S1:将分子量为60万～800万的超高分子量聚乙烯粉料、溶剂、表面活性剂通过减重加料法加入到第一螺杆挤出机，第一螺杆挤出机的螺杆各区温度由低到高控制在80～135℃，制得溶胀状态的物料；S2：将S1制得的溶胀状态的送入第二双螺杆挤出机，第二双螺杆挤出机的螺杆各区温度由低到高控制在140～220℃，物料通过第二双螺杆挤出机溶解挤出，过凝固浴冷却成型，制得凝胶初生纤维；S3:将S2制得的凝胶初生纤维经萃取、干燥，再经多级热牵伸制得超高分子量聚乙烯纤维。

【技术特征摘要】
1.一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，其包括S1:将分子量为60万～800万的超高分子量聚乙烯粉料、溶剂、表面活性剂通过减重加料法加入到第一螺杆挤出机，第一螺杆挤出机的螺杆各区温度由低到高控制在80～135℃，制得溶胀状态的物料；S2：将S1制得的溶胀状态的送入第二双螺杆挤出机，第二双螺杆挤出机的螺杆各区温度由低到高控制在140～220℃，物料通过第二双螺杆挤出机溶解挤出，过凝固浴冷却成型，制得凝胶初生纤维；S3:将S2制得的凝胶初生纤维经萃取、干燥，再经多级热牵伸制得超高分子量聚乙烯纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述超高分子量聚乙烯的分子量为180万～390万，390万～610万或610万～800万；所述第一螺杆挤出机优选为双螺杆挤出机。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，超高分子量聚乙烯粉料、溶剂、表面活性剂的质量比为11～18:100:0.05～0.06。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述超高分子量聚乙烯粉料为颗粒在100目以下。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：周星余，周海涛，周红波，赵勇，
申请(专利权)人：星宇安防科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37