本发明涉及一种高强高模聚乙烯纤维的制备方法。
背景技术：
超高分子量聚乙烯纤维的生产目前有干法和湿法两种生产工艺。湿法纺丝生产工艺一般采用白油为溶剂，将超高分子量聚乙烯粉末溶解在白油中制成纺丝原液，然后经纺丝组件挤出成流体丝条，再经水浴冷却后成冻胶丝条，冻胶丝条经萃取干燥脱溶剂形成未拉伸原丝，最后经过多道热拉伸制成成品纤维。在湿法纺丝生产过程中，为了控制生产成本，必须要对溶剂和萃取剂进行回收再利用，由于流体丝条是采用水浴进行冷却，从而在整个体系中引入了大量的水，从而需要对白油和水的混合物以及白油、萃取剂和水的混合物进行分离和回收，这无疑增加了回收的难度和工作量。另外由于体系中有大量水存在，从而也不可避免地对生产设备造成了一定的腐蚀，不仅会降低设备的使用寿命，而且设备上与丝条接触部位的腐蚀会影响产品的质量。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种降低溶剂回收的难度，避免体系中水分对设备的腐蚀，有利于稳定产品质量的高强高模聚乙烯纤维的制备方法。
本发明的技术解决方案是：
一种高强高模聚乙烯纤维的制备方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）将超高分子量聚乙烯粉末与助剂混合后加入到白油中，搅拌均匀，制得固含量5%-12%的超高分子量聚乙烯的纺丝原液；
（2）将上述纺丝原液通过喂料口加入到同向双螺杆挤出机中，物料在双螺杆挤出机中经过溶胀、溶解和匀化形成均匀的超高分子量聚乙烯溶液；
（3）超高分子量聚乙烯纺丝溶液经过过滤脱泡后，经喷丝板挤出成流体丝条；
（4）流体丝条经过一段气隙后进入油浴冷却成冻胶丝条；
（5）冻胶丝条经萃取、干燥后形成未拉伸原丝；
（6）未拉伸原丝在130-150℃下经多级热拉伸最终形成成品高强高模聚乙烯纤维。
所述超高分子量聚乙烯粉料的特性粘数为15-30、分子量分布小于3、堆积密度小于0.46g/m3，所述白油的分子量为300-500，40℃下的运动粘度为70-100cSt。
步骤（1）所述助剂为抗氧剂；所述抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1010、抗氧剂1076或抗氧剂B225。
超高分子量聚乙烯粉料、抗氧剂与白油的混合物的搅拌温度在0-110℃，优选25-70℃，温度过高会造成聚乙烯粉料的溶胀甚至溶解，过低不利于节能。搅拌转速在60-90rpm，搅拌时间不低于30min。
所述用于物料溶胀和溶解的双螺杆挤出机的直径90-135cm，长径比56-72，溶胀区温度设定在100-250℃之间，溶解区温度设定在240-270℃；所述纺丝溶液挤出喷丝板的压力为3.5-4.5MPa，挤出温度230-270℃；喷丝板的纺丝孔径0.5-1mm，长径比10-30。
所述流体丝条所经过的气隙为惰性气体气隙，气隙长度10-100mm；惰性气体优选使用常温氮气。
油浴所用的冷却介质是与溶解超高分子量聚乙烯粉料所用白油同样规格的白油，油浴温度0-30℃，油浴温度过低会导致粘度过大，温度过高会影响流体丝条的快速冷却。
所述萃取为使用沸点较低、与白油互溶的溶剂将冻胶丝条中的白油置换出来，萃取用溶剂选自汽油、甲苯、二甲苯、碳氢清洗剂或四氯乙烯。萃取过程可以在常温下进行，优选在高于常温的温度下进行，优选借助超声波震荡或微波震荡加强萃取效果。经萃取烘干后冻胶丝内的白油的残余含量低于0.005%。
所述热拉伸分多级进行，优选3级以上；拉伸温度在130-148℃，优选低于145℃；热拉伸总倍数大于7.2，优选大于9，最优选大于10；优选在热拉伸之前对丝条进行预热，预热温度50-100℃，优选70-90℃。
步骤（1）中纺丝原液的制备方法为直混配料，即直接将超高分子量聚乙烯粉末按比例投入到溶剂中制备纺丝原液，不需要预先制备溶解料再进行混合。
本发明在制备方法的整个工艺流程中没有水的引入，整个体系中只有超高分子量聚乙烯、溶剂、萃取剂和微量的热稳定剂。降低了溶剂回收的难度，避免了体系中水分对设备的腐蚀，有利于稳定产品的质量。本发明获得的高强高模聚乙烯纤维强度28-34cN/dtex、模量1000-1300cN/dtex，含油率低于0.005%；所采用的制备过程工艺流程较短、废料少。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
取一定量的粘均分子量400万的超高分子量聚乙烯粉料、抗氧剂加入到以60rpm速度搅拌的白油中，边搅拌边升温至60℃并保持恒温，恒温搅拌40min，获得浓度8%的超高分子量聚乙烯纺丝原液。将上述纺丝原液喂入直径125cm、长径比68的双螺杆挤出机，螺杆转速180rpm，经溶胀、溶解、匀混制得均匀的纺丝溶液。纺丝溶液在260度的挤出温度下经纺丝组件挤出成流体丝条，挤出压力4MPa。流体丝条经过10mm长的25度氮气气隙后进入25度的白油冷却槽形成冻胶丝条，冻胶丝条经萃取、干燥后直接进入三级热烘箱中分三段进行热拉伸，热拉伸温度分别是132℃、142℃、143℃，热拉伸总倍数9.5倍，最后获得超高分子量聚乙烯纤维，经测试其强度33cN/dtex，模量1210cN/dtex，断裂伸长3.12%，残余含油率0。
实施例2
取一定量的粘均分子量590万的超高分子量聚乙烯粉料、抗氧剂加入到以60rpm速度搅拌的白油中，边搅拌边升温至60℃并保持恒温，恒温搅拌40min，获得浓度7.5%的超高分子量聚乙烯纺丝原液。将上述纺丝原液喂入直径125cm、长径比68的双螺杆挤出机，螺杆转速180rpm，经溶胀、溶解、匀混制得均匀的纺丝溶液。纺丝溶液在260度的挤出温度下经纺丝组件挤出成流体丝条，挤出压力4.2MPa。流体丝条经过10mm长的30度氮气气隙后进入25度的白油冷却槽形成冻胶丝条，冻胶丝条经萃取、干燥后直接进入三级热烘箱中分三段进行热拉伸，热拉伸温度分别是134℃、144℃、145℃，热拉伸总倍数9倍，最后获得超高分子量聚乙烯纤维，经测试其强度34.4cN/dtex，模量1280cN/dtex，断裂伸长2.76%，残余含油率0.002%。
实施例3：
一种高强高模聚乙烯纤维的制备方法，包括下列步骤：
（1）将超高分子量聚乙烯粉末与助剂混合后加入到白油中，搅拌均匀，制得固含量5%-12%的超高分子量聚乙烯的纺丝原液；
（2）将上述纺丝原液通过喂料口加入到同向双螺杆挤出机中，物料在双螺杆挤出机中经过溶胀、溶解和匀化形成均匀的超高分子量聚乙烯溶液；
（3）超高分子量聚乙烯纺丝溶液经过过滤脱泡后，经喷丝板挤出成流体丝条；
（4）流体丝条经过一段气隙后进入油浴冷却成冻胶丝条；
（5）冻胶丝条经萃取、干燥后形成未拉伸原丝；
（6）未拉伸原丝在130-150℃下经多级热拉伸最终形成成品高强高模聚乙烯纤维。
所述超高分子量聚乙烯粉料的特性粘数为15-30、分子量分布小于3、堆积密度小于0.46g/m3，所述白油的分子量为300-500，40℃下的运动粘度为70-100cSt。
步骤（1）所述助剂为抗氧剂；所述抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1010、抗氧剂1076或抗氧剂B225。
超高分子量聚乙烯粉料、抗氧剂与白油的混合物的搅拌温度在0-110℃，优选25-70℃，温度过高会造成聚乙烯粉料的溶胀甚至溶解，过低不利于节能。搅拌转速在60-90rpm，搅拌时间不低于30min。
所述用于物料溶胀和溶解的双螺杆挤出机的直径90-135cm，长径比56-72，溶胀区温度设定在100-250℃之间，溶解区温度设定在240-270℃；所述纺丝溶液挤出喷丝板的压力为3.5-4.5MPa，挤出温度230-270℃；喷丝板的纺丝孔径0.5-1mm，长径比10-30。
所述流体丝条所经过的气隙为惰性气体气隙，气隙长度10-100mm；惰性气体优选使用常温氮气。
油浴所用的冷却介质是与溶解超高分子量聚乙烯粉料所用白油同样规格的白油，油浴温度0-30℃，油浴温度过低会导致粘度过大，温度过高会影响流体丝条的快速冷却。
所述萃取为使用沸点较低、与白油互溶的溶剂将冻胶丝条中的白油置换出来，萃取用溶剂选自汽油、甲苯、二甲苯、碳氢清洗剂或四氯乙烯。萃取过程可以在常温下进行，优选在高于常温的温度下进行，优选借助超声波震荡或微波震荡加强萃取效果。经萃取烘干后冻胶丝内的白油的残余含量低于0.005%。
所述热拉伸分多级进行，优选3级以上；拉伸温度在130-148℃，优选低于145℃；热拉伸总倍数大于7.2，优选大于9，最优选大于10；优选在热拉伸之前对丝条进行预热，预热温度50-100℃，优选70-90℃。
步骤（1）中纺丝原液的制备方法为直混配料，即直接将超高分子量聚乙烯粉末按比例投入到溶剂中制备纺丝原液，不需要预先制备溶解料再进行混合。