专利名称：超高分子量聚乙烯高剪切溶液均匀制备纺丝工艺的制作方法
技术领域：
本发明是关于超高分子量聚乙烯高剪切溶液均匀制备二步法纺丝的生产技术。超高分子量聚乙烯均匀纺丝溶液的制备是聚乙烯冻胶纺丝的关键之一，它直接影响超高分子量聚乙烯纺丝可纺性和所得纤维的质量均匀性及力学性能、节能降耗等重要因素。本技术经高剪切使超高分子量聚乙烯与溶剂在常温下研磨处理的纺丝溶液质地均匀，能有效控制分子量的氧化降解,可以满足不同规格的超高分子量聚乙烯纤维和高拉伸比的工艺要求，并可大大降低因溶液本身质量原因而引起的纺丝缠辊、断丝、毛丝和纤度不匀的现象，从而起到稳定纺丝生产，极大提高纤维力学性能的关键性作用。
二.
背景技术：
近年来以超高分子量聚乙烯为原料，生产超高强度、高模量纤维的研究活跃，有众多技术报导都先将超高分子量聚乙烯与溶剂采用釜式高温溶胀(一般加温90 12(TC之间，加温溶胀时间长达30 90分钟)为一次的间歇溶胀方法,经双螺杆挤压喷丝、骤冷冻胶丝收巻成型，冻胶丝再经溶剂汽油或四氧化碳、二甲苯、二氯甲烷等萃取剂进行萃取、干燥、超倍热拉伸两步法生产工艺。 现常规二步法生产方法缺点是， 一 .超高分子量聚乙烯与溶剂溶胀受热温度高、溶胀时间长导致分子量热氧化降解,影响纤维的力学性能。二.间歇式用釜溶胀导至釜与釜之间的浓度、温度、颗粒不均匀性。三.溶胀釜溶液送双螺杆挤压喷丝，经骤冷冻胶丝收巻成型导致冻胶初生的收縮不匀。四.冻胶初生纤维经溶剂汽油、四氧化碳、二甲苯、二氯甲烷等萃取、干燥、超倍热拉伸纤维会产生毛丝、缠辊等现象，导致纤维力学性能低、纤维均匀性差等不良因素，在萃取过程中存在安全隐患大，生产环节差，能源消耗多等因素。公知技术表明 1. ZL85107352 "连续制备均匀的高分子聚合物溶液的方法"，公开的是在合适的溶剂中形成细碎的高分子的悬浮液，在一定温度下，高分子量聚合物通过装配有交替混合和输送部件的正旋转双螺杆压出机，连续制备出高分子聚合物的溶液。根据其工艺溶液制备的温度范围为90。 220° ，制备过程中热氧化降解不可避免,而且使用双螺杆挤出设备。
2.美国Allied-ZL4413110采用超高分子量聚乙烯在石蜡油中预溶解，利用双螺旋混合器将其进一步再溶解，最后将制成的浆料输入双螺杆挤出机完成溶解过程。此工艺预溶解的目的是縮短浆料在双螺杆挤出机中的停留时间，但是预溶解在工艺上存在聚乙烯的热氧化降解，且设备复杂，它的双螺旋混合器为高温压力容器，制备困难。Allied又在ZL4784820推出新工艺将超高分子量聚乙烯在石蜡油中预溶解形成的浆料再输入高速鼓式混合器(1725r. p. m),使浆料均匀化,再在一定压力下将浆料输入单螺杆进行最后的溶解，制得聚乙烯纺丝溶液，该工艺在生产上安全性和稳定效果差,而且螺杆压力低，影响纺丝的稳定性。 3. ZL97106768. 6采用超高分子量聚乙烯在溶剂中进行适度溶胀，制得悬浮液，在常压状态下将该悬浮液连续定量喂入双螺杆挤出机,完成溶胀，溶解，脱泡计量输出连续制备均匀纺丝溶液。该工艺适度溶胀温度为90。 120° ，进行时间为10分钟到一小时，该溶胀过程超高分子量热氧化降解不可避免，溶胀后的悬浮液再输入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机各部温度不同。申请号/专利号200810034215高强高模超高分子量聚乙烯纤维的纺丝工艺，该纺丝工艺为一步法溶胀和溶解的连续式纺丝工艺。采用一步法溶胀和溶解。
4. ZL90102855. X高强、高模聚乙烯纤维的制备方法,属高分子化合物，将超高分子量聚乙烯溶于煤油溶剂中制成半稀溶液，经纺丝骤冷成冻胶纤维，对包含在冻胶纤维中的煤油用溶剂汽油进行限制收縮的萃取和干燥，其后进行超倍热位伸。 5. ZL03106030. 7高强度聚乙烯纤维的制造方法，其特征在于将含有特性粘数〔n 〕为5以上且其重均分子量和数均分子量的比(Mw/Mn)在4以下的乙烯成分为主体的高分子量聚合物(A) 99重量份至50重量份，和相对于高分子量聚合物(A)至少具有1. 2倍的特性粘数的超高分子量聚合物(B) 1重量份至50重量份的聚合物混合物溶解于溶剂，使其浓度为5wt%以上8(hrt%以下，之后纺丝及拉伸。 上述ZL851073S2、 Allied-ZL4413110、 ZL97106768. 6中均存在先预溶解或预溶胀，此后通过螺杆进一歩再溶解来完成超高分子量聚乙烯溶液的制备，其工艺实际都是间歇式的，整个制备过程生产效率低、能耗高、设备复杂、时间长，在制备过程中超高分子量聚乙烯热氧化降解都不可避免，而且制得的溶液不均匀。
三.
发明内容
本发明针对现有生产方法的缺陷,提供一种新的生产超高强度、高模量纤维的方法。 本发明的技术主要是将超高分子量聚乙烯以一定比例与溶剂匹配，通过高剪切方
法制备超高分子量聚乙烯乳化溶液，经双螺杆挤压液体挤出喷丝，用冷冻水浸渍为冻胶原丝，再经碳氢清洗、萃取拉伸、干燥和多道热拉伸制备高强度、高模量聚乙烯纤维。具体实施
步骤如下 本技术二步法纺丝生产技术的第一步是 1. 1选用超高分子量聚乙烯，选用氢化萘或烷烃类作溶剂。 1. 2超高分子量聚乙烯通过自动计量方式输送到釜式搅拌混炼器，同时把溶剂通过自动计量输送到釜式搅拌混炼器混炼，在常温下进行连续混炼成均匀悬浮液。可根据纤维规格要求调整匹配比例。 1. 3将已混合的混合悬浮液用管线连接高剪切泵，混合悬浮液通过高剪切泵高速运转,使超高分子量聚乙烯在溶剂中循环高速研磨获得均质纺丝乳状溶液,用管式连续供双螺杆。 1. 4经高剪切超高分子量溶剂混合乳状溶液用管线连续输入双螺杆完成超高分子
量聚乙烯的加热溶胀、混炼、溶解和经螺纹元件挤出到纺丝组件喷丝。在双螺杆的工序中主
要分为三段第一段对超高分子量聚乙烯均质纺丝乳状溶液加温溶胀,第二段是通过螺纹
元件再次加温混炼和溶解，，第三段是通过螺纹元件再次保温计量输送至纺丝组件。 1. 5经双螺杆挤出喷丝的超高分子量初生丝,直接通过冷冻水进行骤冷为冻胶原丝。 1.6冻胶丝先经预拉伸，再进行萃取拉伸，萃取采用封闭逆向拉伸工艺，再经二次预拉伸，萃取剂选用为碳氢类环保清洗剂.
1.7萃取后纤维再经千燥收巻。 以上是本技术二步法纺丝生产技术的第一步(第一单元)。然后进入第二步(第二单元) 2. 2经三道热拉伸后纤维再经热定型及纤维表面处理自然冷却——成品收巻。
本发明是一种超高分子量聚乙烯高剪切均匀溶胀制备二步法纺丝工艺，具有纤维力学性能高、纤维偏差小、生产能耗低、生产环境好、生产工艺流程短等优点。
四.
具体实施例方式本发明的工艺技术具体实施步骤如下
本技术二步法纺丝生产技术的第-一步是 1. 1选用超高分子量聚乙烯，分子量为100 500万，选用氢化萘、烷烃类，如石蜡油、四氢化萘或白油类矿物油作溶剂(矿物特性粘度为5 80#)。 1. 2超高分子量聚乙烯通过自动计量方式输送到釜式搅拌混炼器，同时把溶剂通过自动计量输送到釜式搅拌混炼器混炼，混炼匹配为超高分子量聚乙烯重量百分比为5 20%、溶剂80 95%，在常温——F进行连续混炼成均匀悬浮液。可根据纤维规格要求调整匹配比例。 1.3将已混合的超高分子量聚乙烯悬浮液用管线连接高剪切泵，混合悬浮液通过高剪切泵高速运转，使超高分子量聚乙烯在溶剂中循环高速研磨获得均质纺丝乳状溶液，用管式连续供双螺杆。高剪切泵工作流量为10mVh 500m3/h之间，根据工艺要求调整。
1. 4经高剪切超高分子量溶剂混合乳状溶液用管线连续进入双螺杆完成超高分子量聚乙烯的加热溶胀、混炼、溶解和经螺纹元件挤出到纺丝组件喷丝，双螺杆长径比为1 : 50，双螺杆运转速度为120 300转/分之间。在双螺杆的工序中主要分为三段第一段对超高分子量聚乙烯均质纺丝乳状溶液加温溶胀、溶胀温度70。 110°之间(随双螺杆速度推进)，第二段是通过螺纹元件再次加温混炼和溶解,混炼、溶解温度为130° 220°之间(随双螺杆速度推进)，第三段是通过螺纹元件再次保温计量输送至纺丝组件,保温输送温度为200。 220°之间。 1. 5经双螺杆挤出喷丝的超高分子量初生丝，初生单丝直径为1 1. 5mm，直接通过0° 5°的冷冻水进行骤冷为冻胶原丝(通常叫冻胶丝)，骤冷线速度为l 5米/分，骤冷停留时间为30秒 100秒之间。 1. 6冻胶丝先经预拉伸1 5倍,再进行萃取，再拉伸2 8倍，萃取采用封闭逆向拉伸工艺，萃取剂选用为碳氢类环保清洗剂，清洗剂有三氟三氯乙烷、三氯乙烷或二氯乙烷等。碳氢类环保清洗剂除自然辉发外，可循环回收使用，回收率95% . 1. 7萃取后纤维再经干燥收巻，烘干温度为40° 60° ,烘干时间为10 40分钟
(干燥收巻后通称叫超高分子量聚乙烯复丝)。 以上是本技术二步法纺丝生产技术的第一歩。第二歩是 2. 1将二步法生产工艺第一单元的收巻复丝，先经40° 60°涨率预热，预热停留20 30分钟，再进行三道热风拉伸(三道热风拉伸是连续进行)，即第--一道拉伸2 4 倍，热风循环温度110。 140° 。第二道拉伸为第一道拉伸后的1.5 2.5倍，热风循环 温度13(T 145° 。第三道拉伸为第二道拉伸后的O. 5 1.5倍，热风循环温度130。
165° 。超高分子量聚乙烯分子链充分伸展和分子结晶均匀排列，可获得优异的力学性能 (强度可达到》40g/D)。 2. 2经三道热拉伸后纤维再经130° 150°热定型及纤维表面处理自然冷 却——成品收巻；热定型的线速度为每分钟15 50米，在此过程中同时连续经等离子体电 晕或辉光表面处理。
权利要求
超高分子量聚乙烯高剪切溶液均匀制备纺丝方法，包括以下两步骤第一步骤1.1选用超高分子量聚乙烯，选用氢化萘或烷烃类作溶剂；1.2超高分子量聚乙烯通过自动计量方式输送到釜式搅拌混炼器，同时把溶剂通过自动计量输送到釜式搅拌混炼器混炼，在常温下进行连续混炼成均匀悬浮液；1.3将已混合的混合悬浮液用管线连接高剪切泵，混合悬浮液通过高剪切泵高速运转，使超高分子量聚乙烯在溶剂中循环高速研磨获得均质纺丝乳状溶液，用管式连续供双螺杆；1.4经高剪切超高分子量溶剂混合乳状溶液用管线连续输入双螺杆完成超高分子量聚乙烯的加热溶胀、混炼、溶解和经螺纹元件挤出到纺丝组件喷丝。在双螺杆的工序中主要分为三段第一段对超高分子量聚乙烯均质纺丝乳状溶液加温溶胀，第二段是通过螺纹元件再次加温混炼和溶解，，第三段是通过螺纹元件再次保温计量输送至纺丝组件；1.5经双螺杆挤出喷丝的超高分子量初生丝，直接通过冷冻水进行骤冷为冻胶原丝；1.6冻胶丝先经预拉伸，再进行萃取拉伸，萃取采用封闭逆向拉伸工艺，再经二次预拉伸，萃取剂选用为碳氢类环保清洗剂；1.7萃取后纤维再经干燥收卷；然后进入第二步骤2.1将二步法生产工艺第一步骤的收卷复丝，先经涨率预热，再进行三道热风拉伸；2.2经三道热拉伸后纤维再经热定型及纤维表面处理自然冷却——成品收卷。
2. 根据权利要求1所述的纺丝方法,其特征在于所述第一步骤 1. 1中，溶剂为石蜡油、四氢化萘或白油类矿物油；1. 2中，混炼匹配为超高分子量聚乙烯重量百分比为5 20% 、溶剂80 95% ，可根据 纤维规格要求调整匹配比例1. 3中，高剪切泵工作流量为10m3/h 500m3/h之间；1. 4中，双螺杆长径比为1 : 5()，双螺杆运转速度为120 300转/分之间，第一段对 超高分子量聚乙烯均质纺丝乳状溶液加温溶胀温度70。 110°之间，二段混炼、溶解 温度为130° 220°之间，第三段保温输送温度为200° 220°之间；1. 5中，初生单丝直径为1 1. 5mm,直接通过0° 5°的冷冻水进行骤冷为冻胶原丝 (通常叫冻胶丝)，骤冷线速度为1 5米/分，骤冷停留时间为30秒 100秒之间；1. 6中，冻胶丝先经预拉伸1 5倍，再进行萃取,再拉伸2 8倍，萃取采用封闭逆向 拉伸工艺萃取剂选用为碳氢类环保清洗剂；清洗剂有三氟三氯乙烷、三氯乙烷或二氯乙烷 等。1. 7中，干燥收巻的烘干温度为40° 60° ，烘干时间为10 40分钟。
3. 根据权利要求1所述的纺丝方法,其特征在于所述第二步骤2. 1中，将第一步骤的收巻复丝先经40° 60。涨率预热，预热停留20 30分钟，再 连续进行三道热风拉伸，第一道拉伸2 4倍，热风循环温度11(T 140° ，第二道拉伸为 第一道拉伸后的1. 5 2. 5倍，热风循环温度130° 145° ,第三道拉伸为第二道拉伸后 的0.5 1.5倍，热风循环温度130。 165° ，超高分子量聚乙烯分子链充分伸展和分子 结晶均匀排列；[2. 2中，经三道热拉伸后纤维再经130° 150°的热定型，热定型的线速度为每分钟 15 50米。
4.根据权利要求3所述的纺丝方法,其特征在于所述2. 2中，纤维在热定型及纤维表 面处理自然冷却过程中同时连续经等离子体电晕或辉光表面处理。
全文摘要
本发明是关于超高分子量聚乙烯高剪切溶液均匀制备二步法纺丝的生产技术。本发明的技术主要是将超高分子量聚乙烯以一定比例与溶剂匹配，通过高剪切方法制备超高分子量聚乙烯乳化溶液，经双螺杆挤压液体挤出喷丝，用冷冻水浸渍为冻胶原丝，再经碳氢清洗、萃取拉伸、干燥和多道热拉伸制备高强度、高模量聚乙烯纤维。本发明具有纤维力学性能高、纤维偏差小、生产能耗低、生产环境好、生产工艺流程短等优点。
文档编号D01D1/02GK101724921SQ20091022421
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者许史安, 陈冠军, 陈成泗 申请人:宁波大成新材料股份有限公司