一种制造高强、高模聚乙烯纤维的方法技术

本发明专利技术涉及一种制造高强、高模聚乙烯纤维的方法，在无氧环境下，配料环节通过两次预解缠，解缠度分别控制在1.8‑2.1和2.2‑2.5，然后采用恒压喂料系统，对喂料量及压力进行控制；在冷冻阶段，采用静置平衡技术，保证冻丝回缩的一致性。本发明专利技术的技术方案得到的高强聚乙烯纤维性能≥42cN/dtex。

【技术实现步骤摘要】
一种制造高强、高模聚乙烯纤维的方法
本专利技术涉及高强纤维领域、具体地涉及一种高强、高模聚乙烯纤维的制造方法。
技术介绍
现在技术中的高强高模聚乙烯纤维是一种高强度和高模量的纤维。高强高模聚乙烯纤维是以超高分子量聚乙烯为原料，经过冻胶纺丝、超倍拉伸将原先相互缠绕呈无序排列的聚乙烯大分子逐渐解缠，并通过高倍拉伸以达到极高的取向度和结晶度。从而使纤维具有质轻、柔软、高强度、高模量、耐紫外线、耐冲击、耐酸碱、耐海水腐蚀等优良性能。超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)，也称高强高模聚乙烯纤维，是指由相对分子量在100万以上的聚乙烯依次经过纺丝—萃取—干燥—超倍拉伸制成的高性能纤维。采用超高分子量聚乙烯纤维制成的纤维增强复合材料具有质量轻、耐冲击、介电性能高等优点，被广泛用于航空航天领域、海域防御领域、武器装备领域和日常工业领域。在现有技术中，制备超高分子量聚乙烯纤维通常使用冻胶纺丝技术，该项技术首先由荷兰的DSM公司专利技术。在冻胶纺丝技术中，通常使用相对分子量在100万以上的聚乙烯作为原料，将该原料与合适的溶剂混合溶胀得到的悬浮液作为纺丝原液，然后将该纺丝原液经螺杆挤出机的剪切、匀混、解缠，再经喷丝组件挤出成型获得初生冻胶丝，然后将初生冻胶丝进行后续的萃取、干燥和超倍拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。CN1902343A中，约瑟夫等人采用特定的纺丝工艺，可提高产品力学性能。但在实际生产中，其所采用的前纺拉伸倍数高达30多倍，这在现实生产中很难达到，由于计量泵转速提高增加产量，更高的拉伸倍数使得冻胶丝落桶速度会非常快，在现实生产中是不现实且极难操作。另外，该专利中后牵倍率只有20-30多倍，较低的倍率使得最终产品上卷速度较低，产量不高；而若提高上卷速度，则工艺过程中经过萃取及干燥的速度也较快，这对于冻胶丝的萃取及干燥效率要求极高，现实生产中也很难实现。CN101956238A公开了一种双组分溶液制备高强高模聚乙烯纤维的方法。首先配置一定含固量的溶解液作为第一纺丝溶液，然后再配置溶胀液作为第二纺丝溶液，再将第一纺丝溶液和第二纺丝溶液按照一定的比例进行混配得到纺丝液。通过第一纺丝液的预解缠，再结合第二纺丝液的粉料胀大，可改善物料在螺杆中的解缠状态，并可将含固量提高到10％以上。但由于溶解液的高温工艺以及乳化，搅拌等，造成分子链发生断裂；再通过螺杆得高温剪切，造成成品丝强度不够高。CN1300395C公开了一种高强聚乙烯纤维的制造方法，包括超高分子量聚乙烯溶液干法纺丝过程和热拉伸过程，其特征在于在干法纺丝过程中，溶液从喷丝板挤出后经过纵向拉伸流变和固化，形成含有适度大分子缠结点的干态原丝；采用本专利技术的制造方法所得高强聚乙烯纤维断裂强度为15～54g/d，模量为500～1870g/d；其采用纵向拉伸流变和固化相结合技术制造高性能聚乙烯纤维，在保证纤维优异力学性能的同时，缩短了工艺流程，提高了生产效率，降低了设备投资和生产成本，并实现稳定、安全的工业化生产。冻胶纺在实际生产中，会由于某些因素造成生产速率低，断丝多，接头多、纤度不匀等缺点。经过研究，这些都是因为在纺丝阶段，丝束从喷丝板喷出并水浴冷却时，冻胶丝中的取向程度不够充分，并且由于结构中的预结晶未形成，经过静置回缩后，回缩率不同造成纤度差异。并且在后牵阶段，由于伸直链的取向度不够，在进行高倍、高速牵伸时，工艺余量较低，如环境温度、工艺温度、速度等稍有变化，在一些环节就容易发生断丝。并且由于稳定性的限制，终端收卷速度较低，如提高生产速度，断丝率会更高。这些都大大影响了生产效率及产品质量。当今有很多人在研究如何提高UHMWPE纤维的力学性能，而对于如何提高产品整体的稳定性较少。因此亟需开发出一种提高产品稳定性的高强、高模聚乙烯纤维的制造方法。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中，聚乙烯纤维稳定性差的特点，设计出一种能有效保护物料分子链长度、解决解缠难度大、回缩形成的纤度差异、清洗效果不佳、清洗剂回收效率低等问题的高强、高模聚乙烯纤维的制造方法。本专利技术最大的关键点即为物料在进入螺杆进行匀混、输送前的预解缠方法；另外的萃取，大直径底辊等都是为了使得此高性能产品更为稳定的批量化生产的配套技术；由活性炭气体回收方式改为深冷凝气体液化回收方式，这都是专利技术人在针对现有技术中问题作出的创造性劳动。针对现有技术生产过程中由于螺杆的高温、高速剪切对物料进行解缠，造成分子链大幅断裂，最终成品丝性能不高的缺点，本专利技术的技术方案中，在高强聚乙烯纺丝母液配制过程中，通过混料釜的氮气充填排空釜内空气，在无氧环境下进行物料的配置，静置脱泡，匀混，通过脱泡排空物料中的氧气，全程低温解缠。形成预解缠纺丝母液，为制备超高强纤维提供基础。针对分子量越高的原料，在螺杆中解缠难度越大的问题，装置上采用氮气排空双釜联动设备，有效保证了预解缠下物料的分子链连续及解缠度控制，为终端纤维产品性能的实现提供了保障。同时，通过螺杆喂料口上的竖管循环系统，保持液位平衡，达到混浊液的物料均匀输送。采用恒压喂料系统，有效解决了由于压力波动造成的纺丝机头压力变化，通过备料釜及恒压喂料系统间的增压设备对喂料量及压力进行控制。在物料处理方面，本专利技术优选的通过大直径螺杆的“慢速匀混”，“低剪切”作用，进行物料熔融，可有效实现低温螺杆中的物料匀混及输送。在获得冻胶丝之后，优选采用蒸汽上蒸平衡系统，时温等效，快速完成冻胶丝的平衡静置。解决了现有技术中冻胶丝的上层和下层由于平衡时间不同引起地回缩差异，进面降低了后纺牵伸线上横向之间纤度差异较大的不利影响。静置后，优选采用高性能清洗剂对冻胶丝进行萃取，降低成品丝含油率，能够更好的提高纤维性能。解决了冻胶丝在短时间内无法清洗干净，干燥过程中单丝之间并丝，后续热牵伸产生毛丝、断丝的问题。同时，放弃传统的活性炭纤维吸附，解析回收清洗剂的方式，改为对挥发气体进行深冷凝回收，这样降低了成本，并且使回收效率从80-90％提高到99％左右，大大节省了生产成本及降低了环境污染。为达到上述目的，具体地，本专利技术提供的技术方案为：一种制造高强、高模聚乙烯纤维的方法，包括如下步骤：1)配料：将特性粘度值为20-35dl/g、分子量相当于550-1000万的UHMWPE粉溶于预解缠釜白油中，氮气充入排空氧气，温度设定为90-160℃，持续进行搅拌，达到设定温度后保温60min，得到第一解缠液，解缠度为1.8-2.1；2)将第一解缠溶液打入均质釜，温度设定为65-90℃，解缠时间为30-60min，得到第二解缠液，解缠度为2.2-2.5，然后注入直管，下进上出，在增压泵作用下溢流循环，整个均质釜都使用氮气充填保持无氧环境；3)第二解缠液进入螺杆后，根据设定温度进行熔融剪切，控制温度为120-250℃左右；4)在出口位置采用氮气冷却拉伸，自喷头喷出的冻胶丝进入水槽区域，氮气吹风进行冷却，以确保温度≤200℃；5)冻胶丝在水槽中通过大直径底辊的转动进行喷头拉伸，辊的直径≥50cm，辊的线速度V1/喷头的拉伸速度的比为2-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造高强、高模聚乙烯纤维的方法，包括如下步骤：/n1)配料：将特性粘度值为20-35dl/g、分子量相当于550-1000万的UHMWPE粉溶于预解缠釜白油中，氮气充入排空氧气，温度设定为90-160℃，持续进行搅拌，达到设定温度后保温60min，得到第一解缠液；/n2)将第一解缠溶液打入均质釜，温度设定为65-90℃，解缠时间为30-60min，得到第二解缠液，然后注入直管，下进上出，在增压泵作用下溢流循环，整个均质釜都使用氮气充填保持无氧环境；/n3)第二解缠液进入螺杆后，根据设定温度进行熔融剪切；/n4)在出口位置采用氮气冷却拉伸，自喷头喷出的冻胶丝进入水槽区域，氮气吹风进行冷却，以确保温度≤200℃；/n5)冻胶丝在水槽中通过大直径底辊的转动进行喷头拉伸，底辊的直径≥50cm，底辊的线速度V1/喷头的拉伸速度的比为2-30；/n6)拉伸出的冻胶丝置于落桶中，进行热蒸平衡处理，在该处理过程中，所有的盛丝桶底部接入热气热源，桶内的冻胶丝3-5小时即完成平衡，之后即可排油；/n7)对排油后的丝束进行萃取清洗，采用清洗剂，丝束在萃取中经过清洗剂的清洗后，进入干燥箱中进行烘干；同时回收挥发清洗剂，经过深冷技术的冷凝装置，挥发气体直接形成液化，能够回收99％以上的挥发气体；/n8)将干燥后的纤维，在100-158℃的热箱内，进行多级热态牵伸，经收卷后制成颜色均一、高强、高模聚乙烯纤维。/n...

【技术特征摘要】
1.一种制造高强、高模聚乙烯纤维的方法，包括如下步骤：
1)配料：将特性粘度值为20-35dl/g、分子量相当于550-1000万的UHMWPE粉溶于预解缠釜白油中，氮气充入排空氧气，温度设定为90-160℃，持续进行搅拌，达到设定温度后保温60min，得到第一解缠液；
2)将第一解缠溶液打入均质釜，温度设定为65-90℃，解缠时间为30-60min，得到第二解缠液，然后注入直管，下进上出，在增压泵作用下溢流循环，整个均质釜都使用氮气充填保持无氧环境；
3)第二解缠液进入螺杆后，根据设定温度进行熔融剪切；
4)在出口位置采用氮气冷却拉伸，自喷头喷出的冻胶丝进入水槽区域，氮气吹风进行冷却，以确保温度≤200℃；
5)冻胶丝在水槽中通过大直径底辊的转动进行喷头拉伸，底辊的直径≥50cm，底辊的线速度V1/喷头的拉伸速度的比为2-30；
6)拉伸出的冻胶丝置于落桶中，进行热蒸平衡处理，在该处理过程中，所有的盛丝桶底部接入热气热源，桶内的冻胶丝3-5小时即完成平衡，之后即可排油；
7)对排油后的丝束进行萃取清洗，采用清洗剂，丝束在萃取中经过清洗剂的清洗后，进入干燥箱中进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张间芳，邓谦，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：浙江金昊新材料有限公司，石飞，
类型：发明
国别省市：浙江;33