超高分子量聚乙烯纤维的牵伸工艺方法及其设备技术

本发明专利技术涉及超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺方法及其设备，属于高分子材料制造领域。该方法为：对干燥完成后的纤维进行多级连续牵伸操作，纤维加热区的气流方向与纤维运动方向相同；温度逐级升高，牵伸倍率逐级降低。该装置为每级牵伸热箱分为下层气体加热区域和上层纤维加热区域，上下两层均设置有环状惰性气体气道，该牵伸热箱采用电感方式加热惰性气体。本发明专利技术不仅可以有效地减少毛丝、断丝等不良现象，提高产品品质，而且在保持总牵伸倍率不降低的基础上也可以提高入丝速度，提高生产能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高分子材料制造领域，特别涉及一种超高分子量聚乙烯纤维生产过程中的热牵伸工艺方法和设备。
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，广泛用于防弹防 护用品、绳索、缆绳、鱼网、运动器材的制造。超高分子量聚乙烯纤维是现在比强度最高的商 业化高性能纤维。 1979年荷兰DSM公司的Smith和Lemstra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。现在世界上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，该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，用挥发性 的第二溶剂萃取出第一溶剂，干燥，超倍数牵伸，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为代表的湿 法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂。DSM工艺，采用易挥发的十氢萘溶剂，采 用干法纺丝，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。 —般情况下，作为原料的聚乙烯粉末的特性粘数至少5dL/g，这样制成的纤维强度 至少为25cN/dtex，模量至少为700cN/dtex。原料聚乙烯的相对分子量必须大于100万，一 般为200万 600万，最好大于400万。 在化纤生产过程中，经凝固纺丝成型后的纤维，统称为初生纤维。由于初生纤维的 结构尚不稳定，纤维的超分子结构序态比较低，物理机械性能还不能满足使用要求，必须通 过一系列后加工工序，其中最重要的过程就是牵伸和热定型。牵伸，又称拉伸。拉伸过程的 机理是促进大分子沿纤维轴方向的取向。在拉伸过程中，纤维的大分子链或聚集态结构发 生舒展，并沿纤维轴向排列取向。取向的同时，通常伴随着相态的变化，以及其它结构的变 化。各种初生纤维在拉伸过程中所发生的结构和性能的变化并不相同，但是都有一个共同 点，即纤维低序区的大分子沿纤维轴向的取向度大大提高，同时伴有密度、结晶度等其它结 构方面的变化。由于纤维内大分子沿纤维轴取向，形成并增加了分子间力，纤维承受外加张 力的分子链数目增加，从而使纤维的断裂强度显著提高，延伸度下降，耐磨性和对各种不同 类型形变的疲劳强度也明显提高。 初生纤维的拉伸可以一次完成，有的必须进行分段拉伸。纤维的总拉伸倍数是各 段拉伸倍数的乘积。采用冻胶纺丝法生产的高强高模纤维，一般拉伸倍数可以达到几十甚 至上百倍。 根据拉伸时，纤维所处的介质不同可以分为干拉伸、蒸汽浴拉伸和湿拉伸三种。干 拉伸是指拉伸时初生纤维处于空气包围之中，纤维与空气介质及加热器之间有热量传递。 根据温度的不同，又可以分为室温拉伸和热拉伸。热拉伸适用于玻璃化温度较高，拉伸应力 较大或者较粗的纤维。牵伸时，温度高于玻璃化温度，不仅可以促进分子链段运动，还可以 降低牵伸应力，有利于牵伸顺利进行。 经典牵伸过程的理论基础是粘弹理论和聚合物粘弹体的松弛理论。牵伸过程为纤 维的形变过程，形变是时间的函数。即牵伸需要一定的时间，牵伸速度过快将造成纤维断 裂。 —般牵伸热箱多采用电阻丝加热的方式加热气体，这种方式结构简单，是常见的 电加热方式，但是电阻丝温度高，如果纤维携带的残留萃取剂气化或者混入其他气体，容易 引起燃烧甚至爆炸，存在一定的安全隐患。另外电阻丝升高温度和降低温度需要一定时间， 操作灵活性不高。而电感加热具有快速、易于控制、安全和环保的优点。 包括超高分子量聚乙烯纤维在内的采用凝胶纺丝法进行生产的纤维工艺，以获得 高取向度的产品，都需要在干燥完成后进行热牵伸，又称后牵伸。凝胶纺丝的工艺过程一 般包括高分子量的聚合物溶解于纺丝溶剂中，通过喷丝板挤出经冷却成丝条状，而后除去 纺丝溶剂，干燥，热牵伸，巻绕成型。在除去纺丝溶剂前，为了减小丝条的直径，加快脱除过 程，有时会进行室温下的牵伸操作，称为冷牵伸，或者前牵伸。由于丝条内存在大量溶剂，在 溶剂的润滑作用下，高分子链在外力作用下可以伸展，取向；但是在除去外力或者外力减小 的情况下，高分子链又恢复巻曲状态。干燥后进行的牵伸过程，由于纤维内含有的溶剂已经 很少，在常温下牵伸，分子链伸展、取向前即已发生断裂。在较高温度下，聚合物处于高弹态 时，分子链在外力作用下发生伸展、取向，经冷却后分子链保持取向，从而获得高取向度的 产品。这一过程称为热牵伸，或者后牵伸。高取向度既是超高分子量聚乙烯纤维的特征之 一，也是其具有高强度、高模量的保证，是生产过程中最重要的步骤之一。 —般热牵伸设备主要由牵伸机和牵伸热箱组成。在牵伸热箱的进口处和出口处分 别各有一台牵伸机，用以对纤维运动提供动力，并使纤维在进出口保持一定的速度，从而产 生一定的牵伸倍率。牵伸机根据牵伸辊的数量，可以有三辊牵伸机，五辊牵伸机，七辊牵伸 机等。牵伸机的辊数增加，可以提高对纤维运动的推动力，但是消耗的能源也相应增加。 纤维牵伸热箱用于加热纤维，使纤维达到一定的温度，实现热牵伸的目的。 国内外现有的牵伸设备和工艺文献，提出了牵伸设备的结构和牵伸温度和牵伸倍 率的工艺数据，其中 美国US7370395中描述了传统的热牵伸过程纤维首先进入一组热辊，然后经过 一个或者多个(通常是四个)加热炉，而后进入第二组热辊，再进入一个或者多个加热炉 (通常是两个)，再进入第三组热辊，最后巻绕成型。传统的热牵伸工艺，运行费用较高。 US7370395中提出纤维首先通过一组导丝辊而后进入由数个加热炉组成的加热单元，而后 经过第二组导丝辊去巻绕工序。纤维在两组导丝辊之间的加热炉中完成牵伸。导丝辊可以 是加热辊，也可以只在靠近加热炉附近的导丝辊进行加热。每组导丝辊可以由7根导丝辊 组成，也可以少于7根或者多于7根。加热炉采用热空气循环加热纤维。加热单元由数个 头尾相连的加热炉组成，加热炉的数量一般为4个或者6个，加热炉的长度为3. 05 4. 88 米。因为纤维的形变是由相邻的两个导丝辊的速度差决定，即纤维只有在存在速度差的两4个导丝辊之间才能发生形变。在两个导丝辊中设置多个热箱，由于热箱之间的间隙，容易造 成纤维的受热不均匀，导致形变不均匀，容易产生断丝等不良现象。采用热空气进行加热， 操作成本较低，但是在高温下存在安全隐患，特别是当纤维从干燥工段进入牵伸工段，如残 留少量萃取剂等易燃物质。采用热辊可以保持纤维的温度不至于变化过大，但是不利于纤 维内部分子链取向的固定。另外加热炉的长度可以适当增长，以提高设备利用效率降低成 本。 中国专利CN1590604中，提出一种牵伸热箱装置，包括一端设有进风口和纤维丝 束进口，另一端设有出风口和纤维丝束出口的甬道，并且在甬道的进风口和出风口之间至 少增设一个进风口。特点是有两个进风口，分两次进风。通过设置静压箱的方式来稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺方法，其特征在于，：该方法包括对干燥完成后的纤维进行多级连续牵伸操作，纤维加热区的气流方向与纤维运动方向相同；温度逐级升高，牵伸倍率逐级降低，后一级热牵伸的牵伸倍率与前一级热牵伸的牵伸倍率之比为０．６～０．９８，每级进口端与出口端的线速度之比为１∶１．０２～３；纤维加热区气体温度为１２５℃～１５０℃，气体的流动速度与纤维的运动速度之差不超过１．０米／秒，并且运动方向相同。

【技术特征摘要】
一种超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺方法，其特征在于，该方法包括对干燥完成后的纤维进行多级连续牵伸操作，纤维加热区的气流方向与纤维运动方向相同；温度逐级升高，牵伸倍率逐级降低，后一级热牵伸的牵伸倍率与前一级热牵伸的牵伸倍率之比为0.6～0.98，每级进口端与出口端的线速度之比为1∶1.02～3；纤维加热区气体温度为125℃～150℃，气体的流动速度与纤维的运动速度之差不超过1.0米/秒，并且运动方向相同。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相邻的两级牵伸操作的温度升高幅 度不超过10°C。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一级牵伸的线速度不大于30米/分钟。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维加热区气体为氮气，或者氩气， 或者二氧化碳，或者三种中其中两种或者三种的混合物。5. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于还包括采用两段多级热牵伸工艺，纤维经 过第一段多级热牵伸后，巻绕成筒后，置于放丝架上，再进行第二段热牵伸。6. 采用如权利要求1所述方法的超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺设备，其特征在 于，由依次相连的多级热牵伸设备组成，每...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭琳，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]