本发明总体涉及纤维制造的方法，特别涉及一种制造超高分子量聚乙烯纤维的方法。
背景技术：
超高分子量聚乙烯(ultra-highmolecularweightpolyethylene，简称uhmw-pe，分子式：—(—ch2-ch2—)—n—)是指粘均分子量大于150万的无支链线性聚乙烯。
超高分子量聚乙烯纤维是以超高分子量聚乙烯为原料制得的纤维。超高的分子量使得超高分子量聚乙烯纤维具有耐磨性强、润滑性好、强度高、化学性质稳定、抗老化等优异的性能。因此，超高分子量聚乙烯纤维在国防军需装备(例如，防弹衣、直升机、坦克和舰船的装甲防护板等)、航空航天(例如，各种飞机的翼尖结构、飞机着陆时使用的减速降落伞、飞机悬吊重物使用的绳索等)、民用(例如，海洋工程中船舶外表面上使用的抗冲击、防锈蚀、防腐蚀包覆材料、各种海洋建筑构件的防腐、防附着、耐磨材料、工业中使用的耐压容器、传送带、过滤材料、医学领域使用的牙托材料等)等方面有着广泛的应用。
现有的制造方法大多采用“冻胶纺丝-超倍拉伸”法来制造超高分子量聚乙烯纤维。按照制造过程中是否使用萃取剂，可分为“干法技术”和“湿法技术”。按照干法技术，使用高挥发性溶剂溶解超高分子量聚乙烯树脂，经喷丝组件挤出后，不经过萃取环节直接形成初生丝。相比之下，按照湿法技术，使用低挥发性溶剂溶解超高分子量聚乙烯树脂，经喷丝组件挤出后，经过萃取环节而形成初生丝。无论通过哪种技术形成初生丝，后续都经过超倍拉伸工艺(包括预拉伸、分切、拉伸等步骤)制成超高分子量聚乙烯纤维。
遗憾的是，受制于以下因素，现有的制造方法难以连续地制造质量稳定的超高分子量聚乙烯纤维：
(1)由于熔融状态下的超高分子量聚乙烯流动性极差，难以连续地挤出，直接妨碍了生产的连续性；
(2)由于在喷丝板内熔融状态的超高分子量聚乙烯流动缓慢，易混入气隙，混入的气隙容易在喷丝板内拉伸超高分子量聚乙烯，造成通过挤出而形成的超高分子量聚乙烯初生丝不均匀，并且容易在喷丝板面上断裂，因此超高分子量聚乙烯初生丝的质量得不到保证；
(3)按现有的制造方法，需要提高拉伸比来提高生产效率。不利的是，拉伸比的提高导致毛丝的产生量明显增多，从而降低了超高分子量聚乙烯纤维的质量。
因此，需要一种既保证高效的连续生产效率又保证稳定的成品质量的制造超高分子量聚乙烯纤维的方法。
技术实现要素：
为了提供一种高效率地生产高质量的超高分子量聚乙烯纤维的方法，提供本发明。
根据本发明的一个方面，提供了一种制造超高分子量聚乙烯纤维的方法。所述方法可包括以下步骤：原料搅拌：搅拌超高分子量聚乙烯粉料与溶剂，以形成树脂；熔融共混：加热所述树脂，并使所述树脂中的超高分子量聚乙烯粉料与所述溶剂在熔融状态下共混，从而形成熔体；熔融挤出：在保持所述熔体处于熔融状态的同时挤出所述熔体；预压成型：将所述熔体预压成基膜；压延成膜：将所述基膜压延成薄膜；萃取干燥：萃取所述溶剂以形成干燥的薄膜；预拉伸：预拉伸所述干燥的薄膜以形成经预拉伸的薄膜；分切：分切所述经预拉伸的薄膜以形成经分切的薄膜；拉伸：拉伸所述经分切的薄膜以形成经拉伸的薄膜；定型：加热所述经拉伸的薄膜以使所述经拉伸的薄膜定型，从而制成所述超高分子量聚乙烯纤维。
在一些实施例中，所述溶剂可包括稀释剂和解缠结剂。在另一些实施例中，所述溶剂还可包括超支化聚合物和分散剂。在优选实施例中，所述解缠结剂可 以是石墨烯，并且所述分散剂可以是聚乙烯蜡。在进一步的实施例中，所述聚超高分子量聚乙烯粉料在所述树脂中的质量百分比可以大于80％。
在一些实施例中，所述预拉伸步骤可以包括：先横向拉伸所述干燥的薄膜，再纵向拉伸所述干燥的薄膜。在进一步的实施例中，所述横向拉伸的操作温度可为50-100℃，拉伸倍率可为2-6倍，并且所述纵向拉伸的操作温度可为60-110℃，拉伸倍率可为4-10倍。
在一些实施例中，所述拉伸步骤可包括前道拉伸和后道拉伸，其中，所述后道拉伸中的操作温度和拉伸线速度可以分别大于所述前道拉伸中的操作温度和拉伸线速度。在进一步的实施例中，所述萃取干燥的操作温度、所述分切的操作温度、所述前道拉伸的操作温度、所述后道拉伸的操作温度以及所述定型的操作温度可以依次递增。
在一些实施例中，所述压延成膜的压延倍率可为8-10倍。
相比现有的制造超高分子量聚乙烯纤维的方法，本方法改善了生产的连续性，提高了生产效率，并且保证了成品质量。
附图说明
以下结合附图并通过实施例来阐述本发明的各方面。
图1示出根据实施例的制造超高分子量聚乙烯纤维的方法100。
具体实施方式
以下结合附图和实施例来描述制造超高分子量聚乙烯纤维的方法。应当理解，各实施例以说明方式而非限制方式来阐释本发明。
图1示出根据实施例的制造超高分子量聚乙烯纤维的方法100。方法100由以下步骤组成：原料搅拌101、熔融共混102、熔融挤出103、预压成型104、压延成膜105、萃取干燥106、预拉伸107、分切108、拉伸109以及定型110。
方法100从原料搅拌101开始。在原料搅拌101步骤中，将超高分子量聚乙烯粉料与溶剂馈送到容器中，通过容器中的搅拌机构来搅拌超高分子量聚乙烯粉料和溶剂，使得这两者均匀地混合，以形成超高分子量聚乙 烯树脂。在一些实施例中，匀速且缓慢地搅拌超高分子量聚乙烯粉料和溶剂以使这两个更好地混合。在优选实施例中，还对容器内部加热，以进一步促进两者的混合。
超高分子量聚乙烯粉料是本领域中公知的材料，本领域技术人员容易从市场上直接获得，或容易制备获得。
超高分子量聚乙烯分子因分子链缠绕、交叠、贯穿及由链段间的动态相互作用形成物理交联点，这种现象被称为“链缠结”(“chainentanglement”)。链缠结的存在导致超高分子量聚乙烯树脂的粘性很大且流动性很差。针对该问题，本发明中使用的溶剂不仅用于溶解超高分子量聚乙烯粉料，还用于改善超高分子量聚乙烯树脂的流动性。
在至少一些实施例中，溶剂可包括稀释剂、解缠结剂、超支化聚合物(hbp)和分散剂。
解缠结剂在稀释剂的稀释作用下与超高分子量聚乙烯粉料混合。经稀释的解缠结剂能够在超高分子量聚乙烯的分子链之间形成有效阻隔，这样有效降低了超高分子量聚乙烯的缠结密度，降低了超高分子量聚乙烯分子链之间的粘滞阻力，从而改善超高分子量聚乙烯树脂的流动性。
超支化聚合物(hbp)是由支化基元组成的高度支化但结构不规整的聚合物。
分散剂是一种两亲性化学品，可以增加油性和水性组分在同一体系中的相容性。
使用超支化聚合物和分散剂可改善解缠结剂在超高分子量聚乙烯树脂中的分散效果，进一步促进解缠结剂的解缠结效果，从而进一步增加超高分子量聚乙烯树脂的流动性。
在一些实施例中，解缠结剂可以是石墨烯，而分散剂可以是聚乙烯蜡。在另一些实施例中，超高分子量聚乙烯粉料在超高分子量聚乙烯树脂中的质量百分比可以大于80％。
随后，方法100进行到熔融共混102。在熔融共混102步骤中，超高分子量聚乙烯树脂被馈送入共混机构，该共混机构具有加热机制，使超高分子量聚乙烯树脂中的超高分子量聚乙烯粉料和溶剂进一步在熔融状态下 共混，从而形成熔体。在本申请中，术语“共混”是指使几种材料均匀地混合以提高材料性能的一种方法。在实施例中，通过熔融共混改善了超高分子量聚合物树脂的流动性。
在一些实施例中，可使用哈克转矩流变仪来实施熔融共混102步骤。哈克转矩流变仪可具有密炼机构，用以使超高分子量聚乙烯粉料和溶剂密炼混合。作为示例，密炼机构可以设有特定形状且相对回转的转子。在密炼混合的过程中，在可调的温度、压力以及密闭的状态下对原料进行密炼混合。与常规的熔融共混相比，在密炼混合过程中，超高分子量聚乙烯树脂还会受到转子和密炼机构内壁的挤压和剪切作用，由此进一步改善了超高分子量聚乙烯树脂的流动性。
随后，方法进行到熔融挤出103。在熔融挤出103步骤中，熔融共混102步骤中形成的熔体进入喷丝挤出组件。喷丝挤出组件具有加热功能，熔体在喷丝挤出组件中保持为熔融状态，并且沿着喷丝挤出组件流向挤出口，在挤出口处，熔体被连续地挤出。在一些实施例中，喷丝挤出组件可以是单螺杆挤出机。
由于溶剂改善了超高分子量聚乙烯树脂的流动性，并且在一些实施例中，通过使用密炼机构进行的密炼混合进一步改善了溶剂在超高分子量聚乙烯树脂中的分散效果，因此增加了超高分子量聚乙烯树脂的流动性。由此，可保证熔融挤出103步骤中熔体的挤出是连续的。
方法100继续进行到预压成型104。在预压成型104步骤中，在熔融挤出103步骤中被挤出的熔体通过成型机构(例如，成型模具)而形成基膜。
随后，方法100进行到压延成膜105。在压延成膜105步骤中，基膜进入压延机构。压延机构压延基膜以形成薄膜。在一些实施例中，压延机构可以是压延辊。在另一些实施例中，压延倍率可以是8-10倍。
随后，方法100进行到萃取干燥106。在萃取干燥106步骤中，从薄膜中萃取溶剂，从而形成干燥的薄膜。
随后，方法100进行到预拉伸107。在预拉伸107步骤中，拉伸机构对干燥的薄膜进行预拉伸，以形成经预拉伸的薄膜。
在一些实施例中，拉伸机构先后在横向和纵向两个方向上拉伸干燥的薄膜。在本申请中，“纵向”是指与传送薄膜的方向(即，对薄膜进行绕卷的方向)一致的方向，而“横向”是指与纵向垂直的方向。在一些实施例中，拉伸机构可以是牵引机，并且该牵引机可具有横向拉伸装置和纵向拉伸装置来执行这两种拉伸。
在优选实施例中，在横向拉伸时，操作温度设置可以是50-100℃，拉伸倍率可以是2-6倍；在纵向拉伸时，操作温度可以是60-110℃，拉伸倍率可以是4-10倍。在该优选实施例中，经预拉伸的薄膜的厚度为0.1-0.12mm，抗拉强度大于350mpa，弹性模量大于1200mpa。
随后，方法100进行到分切108。在分切108步骤中，经预拉伸的薄膜进入分切机构，分切机构对经预拉伸的薄膜进行分切，以形成经分切的薄膜。在一个实施例中，分切的线速度可以是1.2-2米/分钟。
随后，方法100进行到拉伸109。在拉伸109步骤中，经分切的薄膜进入拉伸机构。拉伸机构拉伸经分切的薄膜，以形成经拉伸的薄膜。
在一些实施例中，拉伸109可包括前道拉伸和后道拉伸。前道拉伸和后道拉伸都纵向地拉伸薄膜。在进一步的实施例中，后道拉伸中设定的操作温度和拉伸线速度大于前道拉伸中设定的操作温度和拉伸线速度。在优选实施例中，前道拉伸的操作温度可以是80-100℃，拉伸的线速度可以是4-6米/分钟。后道拉伸的操作温度可以是100-120℃，拉伸的线速度可以是6-12米/分钟。
最后，方法100进行到定型110。在定型110步骤中，经拉伸的薄膜进入定型机构。定型机构对经拉伸的薄膜进行热定型，以消除拉伸过程中产生的应力，从而形成最终的超高分子量聚乙烯纤维。
通常，还使用收卷机构来收卷最终形成的超高分子量聚乙烯纤维，以便于储存。
为了保证预压成型104步骤-定型109步骤中超高分子量聚乙烯纤维的质量，优选地，可将萃取干燥106、分切108、拉伸109(包括前道拉伸和后道拉伸)和热定型110步骤中的操作温度设置为依次递增。
更优选地，如拉伸109步骤中所述，进一步将后道拉伸过程中的操作 温度设置为大于前拉伸过程中的操作温度，并且将后拉伸过程中的拉伸线速度设置为大于前拉伸过程中的拉伸线速度。通过操作温度的递增(特别是拉伸109步骤中操作温度)以及拉伸109步骤中拉伸线速度的递增，有效地减少了拉伸过程在超高分子量聚乙烯纤维中产生的应力，从而提高最终的超高分子量聚乙烯纤维的质量。
已提供了用于制造超高分子量聚乙烯纤维的方法，相比现有的制造方法，本发明的方法具有以下有益的效果：
第一，溶剂中的各种改性成分有效改善了制造过程中超高分子量聚乙烯熔体的流动性，克服了现有的制造方法中超高分子量聚乙烯熔体连续挤出困难的技术问题。一方面，所添加的稀释剂和解缠结剂可在超高分子量聚乙烯的分子链之间形成有效阻隔，有效降低了超高分子量熔体的缠结密度，降低了超高分子量聚乙烯熔体的分子链之间的粘滞阻力，从而改善了超高分子量聚乙烯熔体的流动性。另一方面，所添加的超支化聚合物和分散剂改善了解缠结剂在超高分子量聚乙烯熔体中的分散效果，提升了解缠结剂的解缠结效果，进一步改善了超高分子量聚乙烯熔体的流动性。
第二，通过使用密炼机构执行带有密炼混合的熔融共混，相比现有的制造方法增加了对超高分子量聚乙烯树脂的挤压和剪切作用，增强了超高分子量聚乙烯粉料和溶剂的混合效果，进一步改善了超高分子量聚乙烯熔体的流动性。
第三，在超倍拉伸过程中，通过设置递增的操作温度和递增的拉伸线速度，有效地减少了因拉伸而在超高分子量聚乙烯纤维中产生的应力，从而保证了最终制得的超高分子量聚乙烯纤维的质量。