超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用，制备过程包括将超高分子量聚乙烯树脂粉、助剂及溶剂混合均匀，得到纺丝原液，之后送入双螺杆挤出机中进行溶解纺丝；将出喷丝板后的溶液细条经过气隙段，进入固化成型装置进行多级凝固、多段拉伸，得到冻胶原丝；将冻胶原丝进行后处理，得到所述的超高分子量聚乙烯纤维。与现有技术相比，本发明专利技术通过选用合适的原料树脂纺制溶液，并采用特殊的冻胶成型控制工艺，使溶液细条经多级凝固、多段拉伸，从而使冻胶原丝凝固过程相对平缓，收缩均匀，内外一致；同时通过拉伸来诱导取向和结晶，使得冻胶原丝的结构相对规整，既有利于平稳地进行后拉伸，又保证了成品的高性能化。又保证了成品的高性能化。又保证了成品的高性能化。

【技术实现步骤摘要】
超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及超高分子量聚乙烯纤维制备
，尤其是涉及一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超高分子量聚乙烯由于分子链规整，结晶度和分子量高，均匀溶解是比较困难的。市售的高性能超高分子量聚乙烯纤维，大都采用溶液纺丝法，其中又以湿法纺丝工艺占多数。当超高分子量聚乙烯大分子溶解后，溶液从喷丝孔道挤出时，仍保留有一定数量的缚结分子和缠结网络结构。只有当这种结构发生变化，分子链沿拉伸力方向伸展，拉伸力才得以顺利传递，实现高倍拉伸和纤维的高性能化。同时，在凝固过程中，冻胶丝会产生少量的结晶，若结晶取向度低，进行高倍拉伸时，内应力集中在缠结链上，也无法达到高倍拉伸。所以，控制冻胶原丝结构的规整性，才有利于后拉伸，保证成品的高性能化。
[0003]从目前已有专利看，在湿法纺超高分子量聚乙烯纤维的生产过程中，溶液的拉伸基本为喷头拉伸，大多集中在气隙段，然后进入骤冷凝固浴，形成冻胶原丝后再进行后处理。骤冷的条件有利于超高分子量聚乙烯大分子将解缠后的结构保持住，从而获得优质的冻胶原丝。但是，刚出喷丝板的溶液温度仍较高，瞬间进入骤冷凝固浴，温差太大会加剧相分离，表层凝固过于激烈，冻胶的截面会不圆，并且伴有空洞出现。同时皮层厚度增加，从而影响原液和凝固浴间的双扩散，内凝固变慢，皮芯层结构差异变大，收缩不均，内应力不均，导致拉伸性能变差。
[0004]中国专利CN113026135A中提及，超高分子量聚乙烯溶液在20
‑
25℃的温度条件下，进行18小时至24小时的水浴冷却，获得超高分子量聚乙烯原丝。中国专利CN101122051A中，骤冷液也即凝固液温度控制在8
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14℃，流体经冷却后得到冻胶纤维。中国专利CN1101230499A中，纺丝溶液细丝经一段气隙，进入水温为15
‑
25℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝。这些已知专利都是在较低温度下，一次凝固成型，形成冻胶原丝。上述性能上的缺陷在通过这些方法制备的材料中均会体现。

技术实现思路

[0005]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超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法和应用，其中通过增强凝固成型这一阶段的工艺控制，让冻胶原丝的结构相对规整，既有利于平稳地进行后拉伸，又保证了成品的高性能化，而且变异率小，尤其适用于防弹制品中。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的第一个目的是保护一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)将超高分子量聚乙烯树脂粉、助剂及溶剂混合均匀，得到纺丝原液，之后送入双螺杆挤出机中进行溶解纺丝；
[0009]2)将出喷丝板后的溶液细条经过气隙段，进入固化成型装置进行多级凝固、多段拉伸，得到冻胶原丝；
[0010]3)将冻胶原丝进行后处理，得到所述的超高分子量聚乙烯纤维。
[0011]尤为重要地，本专利技术通过选用合适的原料树脂纺制溶液，并采用特殊的冻胶成型控制工艺，使溶液细条经多级凝固、多段拉伸，从而使冻胶原丝凝固过程相对平缓，收缩均匀，内外一致。同时通过拉伸来诱导取向和结晶，使得冻胶原丝的结构相对规整，既有利于平稳地进行后拉伸，又保证了成品的高性能化。
[0012]进一步地，步骤2)中，所述固化成型装置按照顺序包括不相连通的凝固浴a和凝固浴b；
[0013]所述凝固浴a和凝固浴b均配有多个主动拉伸辊和被动拉伸辊；
[0014]所述凝固浴a与第一外置储罐通过管道连接，凝固浴b与第二外置储罐通过管道相连；
[0015]所述第一外置储罐和第二外置储罐中均设有用于加热和冷却的盘管，并各自连接温控装置，以此实现温度的反馈控制。
[0016]装置在应用时，出喷丝板后的溶液细条经过气隙段进行第一级拉伸，拉伸倍数为辊1线速度与溶液出丝速度之比。然后进入凝固浴a，未完全固化再进入凝固浴b，在凝固浴b中进行第二级拉伸，拉伸倍数为辊3线速度与辊2线速度之比，经过凝固成型后的冻胶原丝再进入后处理。
[0017]进一步地，步骤2)中，所述凝固浴a和凝固浴b中的介质均是与溶剂不互溶的液体；
[0018]所述凝固浴a的温度为65
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90℃，所述凝固浴b的温度为10
‑
25℃；
[0019]所述主动拉伸辊的直径为60
‑
300mm，所述被动拉伸辊的直径为30
‑
100mm；
[0020]所述冻胶原丝在凝固浴中的有效浸润长度为：凝固浴a≥1米，凝固浴b≥2米。
[0021]进一步地，步骤2)中，所述气隙段长度为5
‑
30mm；
[0022]进一步优选地，所述的凝固浴a和b中的介质选水，因为水分子对于不互溶的聚合物纤维的牵伸具有增塑作用，使冻胶更具有弹性和塑性，相当于提高了拉伸温度或降低了拉伸速度和冻胶纤维的拉伸应力。
[0023]进一步优选地，所述的凝固浴a的温度为70
‑
80℃，温度控制
±
0.5℃。考虑到可操作性，该温度选择低于水的沸点，与溶液温度也有一定的温度差，但不至于降温太剧烈。此时经过气隙拉伸后的冻胶，结晶度和取向度大大提高，非晶区的缚结分子也被部分拉直，但同时冻胶还需保留相对合适的缠结点数，因此需要快速将此结构固化下来。凝固浴的浴温越低，双扩散速度越慢，溶剂从溶液中析出的速度也越慢，网络骨架也就越细密，冻胶中的内应力也越小，拉伸性能越好。但如果温度太低，虽有利于保持高分子溶液解缠后的结构，但相分离加剧，体系发生尺寸收缩，容易形成皮芯结构。
[0024]进一步优选地，所述的凝固浴b的温度为15
‑
25℃。溶液细条经过凝固浴a后，考虑到热滞后，尚有部分未完全固化，需要进一步降温，以促进冻胶凝固成型，从而使分子结构产生不可逆的变化，将冻胶原丝规整的结构保持住。
[0025]所述气隙段的气体为空气或惰性气体，也可以是无气体对流或在封闭的空间内；
[0026]所述溶液细条在气隙段的拉伸倍数为5
‑
12倍，且在凝固浴b中的拉伸倍数为1
‑
6倍。
[0027]进一步优选地，所述的气隙拉伸倍数为6
‑
10倍，凝固浴拉伸倍数为1
‑
3倍。随着溶液出喷丝孔后温度的降低，一部分溶剂被析出，大量溶剂仍保留于丝条中。一般认为，只要温度低于聚合体的溶胀温度，整个体系呈冻胶状，超高分子量聚乙烯大分子链和溶剂分子相互混合的比例和程度必定比溶液状态要低，即要发生相分离现象。随着相分离的增加，冻胶丝中的溶剂含量减小，拉伸应力就增大，最大拉伸比则减小，所以气隙拉伸和凝固浴拉伸呈递减趋势。
[0028]进一步优选地，所述气隙段长度优选为5
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15mm。气隙段的气氛可以与空气不同，例如惰性气体等，优选氮气和氩气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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，包括以下步骤：1)将超高分子量聚乙烯树脂粉、助剂及溶剂混合均匀，得到纺丝原液，之后送入双螺杆挤出机中进行溶解纺丝；2)将出喷丝板后的溶液细条经过气隙段，进入固化成型装置进行多级凝固、多段拉伸，得到冻胶原丝；3)将冻胶原丝进行后处理，得到所述的超高分子量聚乙烯纤维。2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述固化成型装置按照顺序包括不相连通的凝固浴a和凝固浴b；所述凝固浴a和凝固浴b均配有多个主动拉伸辊和被动拉伸辊；所述凝固浴a与第一外置储罐通过管道连接，凝固浴b与第二外置储罐通过管道相连；所述第一外置储罐和第二外置储罐中均设有用于加热和冷却的盘管，并各自连接温控装置，以此实现温度的反馈控制。3.根据权利要求2所述的一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述凝固浴a和凝固浴b中的介质均是与溶剂不互溶的液体；所述凝固浴a的温度为65
‑
90℃，所述凝固浴b的温度为10
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25℃；所述主动拉伸辊的直径为60
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300mm，所述被动拉伸辊的直径为30
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100mm；所述冻胶原丝在凝固浴中的有效浸润长度为：凝固浴a≥1米，凝固浴b≥2米。4.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述气隙段长度为5
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30mm；所述气隙段的气体为空气或惰性气体；所述溶液细条在气隙段的拉伸倍数为5
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12倍，且在凝固浴b中的拉伸倍数为1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：许海霞，黄金元，王新威，孙勇飞，郑晗，
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：