一种高强高模聚乙烯纤维的生产方法技术

本发明专利技术公开的一种高强高模聚乙烯纤维的生产方法，包括溶胀溶解步骤、过滤步骤、喷丝步骤、冷冻凝固步骤、预拉伸步骤、萃取步骤、干燥步骤、超倍拉伸步骤、卷绕步骤，其溶胀溶解步骤是在一捏合机内进行的，经过溶胀溶解步骤得到的透明均一纺丝溶液边搅拌边定量将纺丝溶液喂入单螺杆挤出机中进行挤出。本发明专利技术的有益效果是制备方法简单，操作简单，产量高，产量大于３００吨／年。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种聚乙烯纤维的生产方法，具体涉及一种快速溶解超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，以实现高强高模聚乙稀纤维的高产能生产方法。
技术介绍
高强高模聚乙烯纤维是以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为原料，经过冻胶纺丝、超倍牵伸制得，将原先相互缠绕呈无序排列的聚乙烯大分子通过溶解适当解缠，再超倍拉伸达到极高的取向度和结晶度，从而使纤维具有质轻、柔软、高模、耐紫外线、耐冲击、耐酸碱、耐海水腐蚀等优良性能。1979年，荷兰DSM公司申请了采用冻胶技术制造超高分子量聚乙烯纤维的专利(NL7900990，NL7904990及相应的US4344908、特公昭64-8732、US4422993)。冻胶技术是指将聚乙烯与合适的溶剂制成纺丝溶液，然后将纺丝溶液冷却到凝胶态，采用萃取工艺将溶剂去除，再经过干燥、超倍(30倍～130倍)热拉伸得到聚乙烯纤维。由于冻胶纺丝法有利于形成更高效传输张力负荷的申长链结构，因此制备出的聚乙烯纤维具有非常高的强度和模量，且耐冲击性能优异，应用比较广泛。聚乙烯冻胶纺丝的关键技术是制备解除大分子之间缠结的均匀超高分子量聚乙烯溶液。如果溶液不是均匀的，在制备纤维的整个过程中，初生丝条的质量以及在凝胶状态时的拉伸性就会受到严重的影响，材料最终的力学性能也会受到较严重的损害。然而，制造聚乙烯均匀溶液是一项非常复杂的过程，这是因为超高分子量聚乙烯具有非常高的重均分子量(5×105以上)，在聚乙烯溶液采用釜式搅拌过程中，聚乙烯大分子往往聚集在搅拌杆或其它装置的周围，即发生通常所说的韦森堡效应(weissenberkg现象)。发生韦森堡效应时，很难制备均匀的纺丝溶液。为了解决超高分子量聚乙烯的均匀溶解，人们专利技术了将超高分子量聚乙烯溶胀后采用双螺杆挤出机进一步溶解聚乙烯制备均匀溶液的方法。CN1190137C、CN1047414C、JP.86-73743、JP86-143439均公开了先将超高分子量聚乙烯在溶剂中经过初步的溶胀后定量地喂入双螺杆挤出机进行溶解的技术方案。由于双螺杆挤出机的卓越的混练效果，大大提高了溶解效果，使超高分子量聚乙烯可溶解浓度得到大幅度的提高，高粘度的溶液又为之后双螺杆挤出机机头压力的建立、脱泡创造了条件。采用双螺杆挤出机制备超高分子量纺丝溶液的过程可分为两个阶段：聚乙烯纤维在溶剂内的溶胀和在双螺杆挤出机内的溶解。在溶胀阶段，主要表现为溶剂向超高分子量聚乙烯中渗透于扩散，聚乙烯体积膨胀。溶胀是一个对温度极为敏感的吸热过程，仅在很窄的温度范围内进行，溶胀不妥导致无法制得均匀的纺丝溶液。如果溶胀不足，出现“夹生”现象，超高分子量聚乙烯的溶解就会不均匀；溶胀太充分，超高分子量聚乙烯颗粒会聚集成团，阻碍双螺杆挤出机的正常均匀喂入，适当的溶胀成为制备均匀溶液的关键。如果制备料不均匀的超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液，在纺丝时会造成初生丝条性能不均匀，性能不均匀的初生丝条经过萃取-超拉伸后会制备出性能不稳定的聚乙烯纤-->维，具体表现在纤维的各种力学性能的离散系数(变异系数。CV值)较大。更严重的是，使用不均匀的超高分子量聚乙烯纺丝溶液进行纺丝还会容易发生断丝的现象。另外，在溶解阶段，通常要求纺丝溶液在双螺杆挤出机中的停留时间是0.3D分钟，D为螺杆直径。产量越高螺杆直径越大，停留时间要求越长，若要提高产量到300吨/年，纺丝溶液的流量要达到6.25kg/min，纺丝溶液密度要达到0.93kg/L，双螺杆直径要大于135MM才能满足要求。而采用螺杆直径为135MM的双螺杆挤出机，则纺丝溶液在双螺杆挤出机中停留的时间则为40.5分钟，如果停留时间低于40.5分钟，聚乙稀就不能均匀溶解，而目前双螺杆挤出机的螺杆直径大于135MM的，其长径比只能46，不超过52，因此受设备的限制，现有的双螺杆挤出机无法实现一步溶解、混合均匀的目的。因此也就限制了产量的提高。另外对于分子量达到300万以上的超高分子量聚乙烯来说，如果在双螺杆挤出机中停留时间太长，加上剪切力大的话，非常容易造成超高分子量聚乙烯的降解，从而影响到最终纤维的性能。因此，需要一种能够制备均匀的超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的方法，以规模化地生产出高强高模聚乙烯纤维。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决上述问题，克服现有技术的不足，提供一种高强高模聚乙烯纤维的高产能生产方法，以实现聚乙烯纤维的规模化生产。为了实现上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种高强高模聚乙烯纤维的生产方法，包括溶胀溶解步骤、过滤步骤、喷丝步骤、冷冻凝固步骤、预拉伸步骤、萃取步骤、干燥步骤、超倍拉伸步骤、卷绕步骤，其特征在于，所述溶胀溶解步骤是在一捏合机内进行的，经过溶胀溶解步骤得到的透明均一纺丝溶液边搅拌边定量将纺丝溶液喂入单螺杆挤出机中进行挤出。所述溶胀溶解步骤中超高分子量聚乙烯粉末与白油按照公称重量浓度白分比为4-50％。所述溶胀溶解步骤是在氮气保护下进行的。本专利技术所采用的捏合机为具有通过两台电机单独驱动的两捏合刀片的捏合机。本专利技术所采用的捏合机是通过单独分别对一捏合刀片进行调速来改变剪切速率的。本专利技术所述的溶胀溶解步骤依次分为分散步骤、溶胀步骤和溶解步骤，其中分散步骤、溶胀步骤和溶解步骤所用时间分别占溶胀溶解步骤总时间的18～22％、56～64％、18～22％，分散步骤的温度控制在0℃～25℃，剪切速率≤200秒-1，溶胀步骤的温度控制在90℃～120℃，剪切速率200秒-1～400秒-1，溶胀步骤的温度控制在150℃～250℃，剪切速率400秒-1～900秒-1。本专利技术创造性地采用捏合机半连续溶胀溶解超高分子量聚乙烯，在溶胀溶解过程对超高分子量聚乙烯进行分散、溶胀和溶解。本专利技术为尽量减少聚乙烯分子量受剪切力作用发生断裂，或受热发生降解，在分散步骤中温度一高，超高分子量聚乙烯表面溶胀会互相粘结，造成不均匀，因此在分散步骤中采用较低的温度，目的是将聚乙烯颗粒均匀分散在溶剂中，不要使其团聚。-->在溶胀步骤中，为了使溶剂均匀渗透浸入聚乙烯颗粒渗透到大分子之间，溶剂小分子渗透进人高分子内部，撑开分子链，增加其体积，形成溶胀的聚合物，这个阶段需要一定温度、时间和较高剪切速率剥离聚乙烯颗粒表面已被渗透的大分子，使溶剂从聚乙烯较疏松的无定形区向较致密的结晶区进行。由于聚乙烯等非极性的晶态聚合物，需要加热到接近其熔点时晶格被破坏，变成非晶态后小分子溶剂才能扩散到聚合物内部而逐渐溶解，因此本专利技术的溶解步骤经过两个过程，首先是晶相的破坏，需要吸热；然后是被破坏了晶格的聚合物与溶剂的混合，使高分子链上所有的链段都能扩散运动，形成分子分散的均相体系，最终得到透明均一的纺丝溶液。本专利技术具有快速、均匀溶解超高分子量聚乙烯的优点。其采用较低的加工温度，较短的加工时间和较低剪切速率有效地防止超高分子量聚乙烯的降解，从而提高了聚乙烯纤维的强度和模量，纤维的各种力学性能的离散系数(变异系数。CV值)较低。本专利技术的单螺杆挤出机仅起到挤出和减压作用，不参与溶解过程，免除了溶解对溶液在螺杆中停留时间的要求，螺杆的直径可按产量要求定，不受长径比的限制，提高产能成为可能。本专利技术的捏合机还具有自清洁作用，同时能连续地给单螺杆挤出机连续供料，保证了单螺杆挤出机的连续出料，从而提高了产能，实现了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高模聚乙烯纤维的生产方法，包括溶胀溶解步骤、过滤步骤、喷丝步骤、冷冻凝固步骤、预拉伸步骤、萃取步骤、干燥步骤、超倍拉伸步骤、卷绕步骤，其特征在于，所述溶胀溶解步骤是在一捏合机内进行的，经过溶胀溶解步骤得到的透明均一纺丝溶液边搅拌边定量将纺丝溶液喂入单螺杆挤出机中进行挤出。

【技术特征摘要】
1.一种高强高模聚乙烯纤维的生产方法，包括溶胀溶解步骤、过滤步骤、喷丝步骤、冷冻凝固步骤、预拉伸步骤、萃取步骤、干燥步骤、超倍拉伸步骤、卷绕步骤，其特征在于，所述溶胀溶解步骤是在一捏合机内进行的，经过溶胀溶解步骤得到的透明均一纺丝溶液边搅拌边定量将纺丝溶液喂入单螺杆挤出机中进行挤出。2.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述溶胀溶解步骤中超高分子量聚乙烯粉末与白油按照公称重量浓度白分比为4-50％。3.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述溶胀溶解步骤是在氮气保护下进行的。4.如权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述的溶胀溶解步骤依次分为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张间芳，杨福康，
申请(专利权)人：浙江金昊特种纤维有限公司，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]