專利名稱：一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制造方法。
背景技術(shù)：
目前國(guó)際上將超高分子量聚乙烯、碳纖維和芳綸纖維并稱為三大高性能纖維材料，其中超高分子量聚乙烯纖維具有高強(qiáng)度、高模量、低密度的特點(diǎn)，在高級(jí)輕質(zhì)復(fù)合材料中顯示出極大的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)與防御裝備、宇航與航空方面發(fā)揮了極其重要的作用，在民用領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)在多采用凝膠紡絲-超倍熱拉伸工藝制備高性能聚乙烯纖維，該法是先用溶劑溶解超高分子量聚乙烯制成紡絲溶液，使柔性大分子鏈在溶劑的稀釋下，解除過度的纏結(jié)，溶液經(jīng)噴絲孔擠出后經(jīng)空氣(干法)或水(濕法)驟冷固化，得到含有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)的濕態(tài)原絲(未去除溶劑的原絲)，再經(jīng)脫溶劑和超倍熱拉伸得到具有伸直鏈結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)聚乙烯纖維。
超高分子量聚乙烯分子鏈在溶液狀態(tài)下呈無(wú)規(guī)蜷曲狀分散于溶劑中，干法紡絲時(shí)，溶液經(jīng)噴絲板擠出后，隨著溶液細(xì)流中溶劑的揮發(fā)，分子鏈距離逐漸拉近，大分子之間的相互作用增強(qiáng)，大分子之間的物理交聯(lián)點(diǎn)會(huì)隨之增多；同時(shí)，隨著溶劑的揮發(fā)，分子鏈距離拉近，在溶液狀態(tài)下被溶劑稀釋的相互貫穿的大分子會(huì)重新纏結(jié)，大分子之間的纏結(jié)點(diǎn)會(huì)隨之增多。其中的物理交聯(lián)點(diǎn)是可逆的，通過加熱可消除，而其中的纏結(jié)點(diǎn)是大分子相互貫穿形成的，由于超高分子量聚乙烯分子鏈長(zhǎng)，松弛時(shí)間長(zhǎng)，因此即使加熱也很難消除纏結(jié)。纏結(jié)點(diǎn)過多會(huì)使熱拉伸困難，拉伸倍數(shù)下降，容易出現(xiàn)毛絲，纖維力學(xué)性能下降。因此，在干法紡絲過程中，溶液經(jīng)噴絲板擠出后需要限制溶劑的揮發(fā)形成濕態(tài)原絲，然后采取在冷卻固化后、熱拉伸之前去除溶劑或者在熱拉伸過程中去除溶劑。在冷卻固化后、熱拉伸之前去除溶劑增加了工藝流程的長(zhǎng)度，降低了生產(chǎn)效率；在熱拉伸過程中去除溶劑，增加了溶劑回收難度，同時(shí)也具有易造成紡絲粘連，品質(zhì)下降等不足。
日本專利特開平7-238416公開了一種在干法紡絲過程中積極揮發(fā)溶劑以制備高性能聚乙烯纖維的方法，具體工藝為5～50％的超高分子量聚乙烯和95～50％揮發(fā)性溶劑混合溶解，加熱擠出后，經(jīng)過一紡絲筒，紡絲筒內(nèi)通入熱氣流的方法使40％以上的溶劑揮發(fā)，剩余溶劑在熱拉伸的過程中去除。
該日本專利通過在紡絲過程中積極去除部分溶劑形成半干態(tài)原絲，解決了紡絲粘連的問題，但由于溶劑在紡絲和熱拉伸過程中均有揮發(fā)，因此該專利需要在紡絲段和拉伸設(shè)備上分別進(jìn)行防火防爆處理和溶劑回收，這樣就增加了設(shè)備投資和溶劑回收的難度，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的研究人員在申請(qǐng)?zhí)枮?1123737.6的專利中，公開了一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制造方法，包括在制備超高分子量聚乙烯纖維的紡絲工藝過程中，在噴絲板下方設(shè)置一半封閉式溫度控制區(qū)，并使原料分子量、紡絲原液濃度或紡絲熔體、噴絲孔的孔徑、長(zhǎng)徑比和擠出速率相匹配，其特征在于通過調(diào)節(jié)紡絲原液或紡絲熔體擠出后的縱向拉伸流變，解除部分大分子纏結(jié)點(diǎn)并得到具有適宜超分子結(jié)構(gòu)的原絲，經(jīng)后道拉伸得到高強(qiáng)聚乙烯纖維。
對(duì)于01123737.6專利申請(qǐng)來說，該專利主要是通過采用縱向拉伸流變及多種參數(shù)的匹配來獲得適度大分子纏結(jié)點(diǎn)，凍膠絲中的十氫萘溶劑揮發(fā)干燥后再經(jīng)熱拉伸得到伸直鏈結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度聚乙烯纖維，其中凍膠絲中溶劑的揮發(fā)干燥采用的是現(xiàn)有技術(shù)，因此沒有具體描述干燥的方式和過程。
對(duì)于超高分子量聚乙烯纖維的制備工藝來說，由于所用溶劑揮發(fā)時(shí)形成易燃易爆的氣體，從安全和經(jīng)濟(jì)角度考慮，必須在密封或負(fù)壓條件下進(jìn)行溶劑揮發(fā)和回收，而且能否快速回收溶劑也是工業(yè)化生產(chǎn)面臨的問題。同時(shí)高強(qiáng)度聚乙烯纖維制備工藝的發(fā)展趨勢(shì)也在于在保證高性能的前提下，如何縮短工藝流程、降低生產(chǎn)成本，以達(dá)到穩(wěn)定、安全的工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的高強(qiáng)聚乙烯纖維的制造方法，該方法克服了上述不足，采用縱向拉伸流變和固化相結(jié)合技術(shù)，在干法紡絲過程中形成含有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)的干態(tài)原絲，再經(jīng)熱拉伸制得高性能聚乙烯纖維，在保證纖維優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，減少了溶劑揮發(fā)工序，縮短了工藝流程，提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備投資和生產(chǎn)成本，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的工業(yè)化生產(chǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制造方法，包括超高分子量聚乙烯溶液干法紡絲過程和熱拉伸過程，其特征在于在干法紡絲過程中，溶液從噴絲板擠出后經(jīng)過縱向拉伸流變和固化，形成含有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)的干態(tài)原絲。
所述的固化是在溶劑揮發(fā)和冷卻的雙重作用下，使溶液粘度達(dá)到流動(dòng)的極限值而固化成絲。
所述的超高分子量聚乙烯溶液干法紡絲過程為超高分子量聚乙烯經(jīng)溶劑溶脹、溶解后，并擠出成絲，再經(jīng)過縱向拉伸流變和固化，形成干態(tài)原絲。
進(jìn)一步說，干法紡絲過程為將超高分子量聚乙烯在溶劑中進(jìn)行溶脹，溶解，形成紡絲溶液；然后經(jīng)噴絲板擠出得到溶液細(xì)流；將溶液細(xì)流再經(jīng)過第一溫控區(qū)的縱向拉伸流變和第二溫控區(qū)的固化，形成干態(tài)原絲。
本發(fā)明所述的干態(tài)原絲為幾乎去除全部溶劑的原絲，其溶劑揮發(fā)量為總?cè)軇┝康?5％以上。
本發(fā)明采用縱向拉伸流變和固化相結(jié)合技術(shù)來制備高強(qiáng)聚乙烯纖維，即在溶劑揮發(fā)和冷卻的雙重作用下，使溶液粘度達(dá)到流動(dòng)的極限值而固化的同時(shí)，形成含有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)的干態(tài)原絲，以保證經(jīng)熱拉伸得到具有伸直鏈結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)聚乙烯纖維。
具體來說，第一溫控區(qū)的縱向拉伸形變主要目的是利用紡程中纖維軸向固化前的拉伸流動(dòng)變形來解除部分大分子纏結(jié)點(diǎn)，即通過紡絲溶液擠出后的縱向拉伸流變解除部分大分子的貫穿結(jié)構(gòu)，減少纏結(jié)點(diǎn)，從而得到具有“適度大分子纏結(jié)點(diǎn)”同時(shí)延伸和細(xì)化了的串晶結(jié)構(gòu)原絲。
所述的“適度大分子纏結(jié)點(diǎn)”已在申請(qǐng)?zhí)枮?1123737.6的專利申請(qǐng)中詳細(xì)描述，大分子纏結(jié)點(diǎn)的多少直接影響伸直鏈結(jié)構(gòu)的形成，如果原絲中纏結(jié)點(diǎn)過少時(shí)就無(wú)法通過折疊鏈片晶間的縛結(jié)分子傳遞拉伸應(yīng)力，而造成大分子折疊鏈不能得到拉伸和取向伸直；但原絲中的纏結(jié)點(diǎn)過多時(shí)會(huì)限制大分子取向和伸直鏈結(jié)構(gòu)的發(fā)展，所以需要在熱拉伸前形成具有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的原絲。
第二溫控區(qū)的固化是為了使在縱向拉伸流變時(shí)形成的適度大分子纏結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)隨著溶液粘度達(dá)到流動(dòng)的極限值而固定，由于固化采用了溶劑揮發(fā)和冷卻同時(shí)進(jìn)行的方法，因此既可以使溶劑在紡絲過程中充分揮發(fā)，又可以保證溶液細(xì)流充分冷卻，避免大分子回纏形成新的纏結(jié)點(diǎn)。
通過上述工藝，在紡絲過程中形成了適于熱拉伸的含有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)的干態(tài)原絲，解決了現(xiàn)有工藝需在紡絲過程之后進(jìn)行溶劑揮發(fā)的問題，縮短了流程，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)由于溶劑在紡絲過程揮發(fā)量為總?cè)軇┝?5％以上，甚至99％以上，因此只需在紡絲過程進(jìn)行溶劑回收，解決了現(xiàn)有工藝溶劑回收困難的問題，有利于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效的溶劑回收，降低基建投資和生產(chǎn)成本，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的研究人員經(jīng)過理論分析和工藝摸索，發(fā)現(xiàn)第一溫控區(qū)的溫度控制在超高分子量聚乙烯的溶解溫度以上、分解點(diǎn)或溶劑的自燃溫度(二者取較低值)以下，而第二溫控區(qū)的溫度控制在低于其溶解溫度以下為好，在第一溫控區(qū)通過縱向拉伸流變得到適度大分子纏結(jié)點(diǎn)，在第二溫控區(qū)使溶液粘度在溶劑揮發(fā)和冷卻的共同作用下達(dá)到流動(dòng)的極限值而固化。
本發(fā)明在第一溫控區(qū)內(nèi)進(jìn)行縱向拉伸，第一溫控區(qū)溫度控制在超高分子量聚乙烯溶解溫度(Ts)～超高分子量聚乙烯分解溫度(Td)低10℃的范圍內(nèi)，或控制在超高分子量聚乙烯溶解溫度(Ts)～溶劑自燃溫度(Tf)低10℃的范圍內(nèi)，上限溫度取二者中較低值；第一溫控區(qū)長(zhǎng)度為10～40cm；第一溫控區(qū)的縱向拉伸流變倍數(shù)為3～30倍。
在第二溫控區(qū)內(nèi)進(jìn)行固化，第二溫控區(qū)溫度控制在30℃～超高分子量聚乙烯溶解溫度(Ts)的范圍內(nèi)，長(zhǎng)度為1～6m，優(yōu)選為3～5m；第二溫控區(qū)可采用一段溫度控制或多段溫度控制；采用一段溫度控制時(shí)，第二溫控區(qū)溫度控制在50℃～120℃；采用多段溫度控制時(shí)，多段溫度控制可為2段或2段以上溫度控制，優(yōu)選為2～4段，且各段溫度控制可沿絲束方向逐段下降10～30℃，或沿絲束方向逐段升高10～30℃。
第一溫控區(qū)和第二溫控區(qū)可選用電加熱或熱介質(zhì)加熱，并在其中通入起保護(hù)作用的惰性氣體，如二氧化碳或氮?dú)獾取?br> 經(jīng)過上述紡絲過程后，溶劑揮發(fā)量為總?cè)軇┝康?5％以上，優(yōu)選99％以上。剩余溶劑在熱拉伸過程中可以起增塑的作用，減少毛絲和斷頭率，有利于拉伸的順利進(jìn)行；隨著熱拉伸的進(jìn)行，溶劑完全揮發(fā)，成品纖維中不含溶劑。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯的重均分子量可為1×106～6×106，優(yōu)選為3.5×106～5×106。
本發(fā)明采用干法紡絲，在保證溶解性的前提下，溶劑的沸點(diǎn)和揮發(fā)性是選用溶劑的主要考慮因素，因?yàn)槿軇┑姆悬c(diǎn)過高，溶劑難以從纖維中揮發(fā)出來，影響紡絲速度；沸點(diǎn)過低，溶劑揮發(fā)速度太快，影響纖維成型。本發(fā)明所采用的溶劑為碳原子個(gè)數(shù)為6～14的碳?xì)浠衔?，?yōu)選為十氫萘。
本發(fā)明在干法紡絲過程中超高分子量聚乙烯需要在溶劑中進(jìn)行溶脹，溶解，形成紡絲溶液，采用所述溶脹時(shí)溫度控制在60℃～100℃之間，攪拌1～3小時(shí)，所述溶脹可在反應(yīng)釜或其他容器中進(jìn)行。
所述的溶解采用釜內(nèi)攪拌或雙螺桿擠出機(jī)塑化溶解的方式，溶解時(shí)溫度控制在130℃～200℃之間；由于釜內(nèi)攪拌易產(chǎn)生爬桿效應(yīng)，影響超高分子量聚乙烯在溶劑中溶解的均勻性，所以濃度高時(shí)應(yīng)采用雙螺桿擠出機(jī)，雙螺桿長(zhǎng)徑比為30/1～60/1，轉(zhuǎn)速為30～300r/min，優(yōu)選為40/1～55/1，50～200r/min。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯溶液的重量百分比濃度為4～20％，優(yōu)選4～16％，紡絲溶液的濃度可通過溶劑的加入量來調(diào)節(jié)。
所述的噴絲板長(zhǎng)徑比為6/1～30/1，孔徑為0.6～1mm，擠出速率為0.5～50m/min，優(yōu)選0.5～20m/min，更優(yōu)選為0.5～10m/min。擠出速率快，溶液橫截面方向的速度梯度大，容易產(chǎn)生剪切誘導(dǎo)結(jié)晶效應(yīng)，使原絲的結(jié)晶度較高，熱拉伸過程中容易出毛絲或斷頭，但擠出速率慢，生產(chǎn)效率低，所以需選擇合適的擠出速率。
所述的熱拉伸可選用熱箱或熱輥拉伸，溫度為120～150℃，經(jīng)2～5級(jí)拉伸，拉伸倍數(shù)為4～20倍。隨著拉伸的逐級(jí)進(jìn)行，纖維的結(jié)晶和取向進(jìn)一步完善，熔點(diǎn)逐步提高，所以拉伸溫度可逐級(jí)升高。
為了便于溶劑的回收再利用，本發(fā)明在制備過程中可采用溶劑回收裝置，在干法紡絲段(包括第一溫控區(qū)和第二溫控區(qū))設(shè)有此裝置，該回收裝置采用壓縮冷凝-膜分離的原理，為本領(lǐng)域常用設(shè)備。
為了防止超高分子量聚乙烯的氧化降解，同時(shí)也便于加工，一般還需在原料中加入相對(duì)于超高分子量聚乙烯重量0.1～1％的抗氧劑和0.1～1％的潤(rùn)滑劑，所述抗氧劑選用空間位阻大的酚類，優(yōu)選為2，6-二叔丁基對(duì)甲酚，所述潤(rùn)滑劑為金屬脂肪酸鹽類，優(yōu)選為硬脂酸鋁。
為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)工業(yè)化的發(fā)展需要，本發(fā)明的制備方法可優(yōu)選采用一步法的加工工藝，即超高分子量聚乙烯溶液擠出-縱向拉伸流變-固化-熱拉伸整個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行，一步完成，這樣就減少了卷繞、退繞和喂入裝置，能進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低加工成本，使工藝簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。具體地說，一步法工藝過程為將超高分子量聚乙烯在溶劑中進(jìn)行溶脹，溶解，形成紡絲溶液；然后經(jīng)噴絲板擠出得到溶液細(xì)流；將溶液細(xì)流連續(xù)經(jīng)過第一溫控區(qū)的縱向拉伸流變和第二溫控區(qū)的固化，然后直接經(jīng)熱拉伸得到高強(qiáng)聚乙烯纖維。
本發(fā)明采用縱向拉伸流變和固化相結(jié)合技術(shù)來制備高強(qiáng)聚乙烯纖維，其斷裂強(qiáng)度達(dá)到15～45g/d；模量為500～1500g/d。
本發(fā)明所述的高強(qiáng)聚乙烯纖維采用的測(cè)試方法如下斷裂強(qiáng)度、模量參照J(rèn)ISL1013-1992。
本發(fā)明所述的高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，在01123737.6專利申請(qǐng)公開的縱向拉伸形變技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了第二溫控區(qū)使縱向拉伸流變后的溶液細(xì)流時(shí)在溶劑揮發(fā)和冷卻的共同作用下完成固化過程，形成具有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的干態(tài)原絲，再經(jīng)熱拉伸得到高強(qiáng)聚乙烯纖維；本發(fā)明采用第二溫控區(qū)來完成紡絲固化過程，減少了干法紡絲過程后的溶劑揮發(fā)工藝過程，縮短了工藝流程，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明同日本專利特開平7-238416相比，只需在熱拉伸前進(jìn)行溶劑回收，設(shè)置溶劑回收裝置，因此本發(fā)明在保證纖維優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，不僅縮短了工藝流程，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了設(shè)備投資和生產(chǎn)成本，并能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明所得的高強(qiáng)聚乙烯纖維具有優(yōu)異力學(xué)性能，能應(yīng)用于防護(hù)和防御裝備材料，如防彈、防刺、防切割、安全防護(hù)罩、復(fù)合裝甲等，以及各類繩、纜、海洋養(yǎng)殖網(wǎng)箱、捕撈拖網(wǎng)、通訊光纜補(bǔ)強(qiáng)材料、超導(dǎo)絕緣材料、抗沖擊容器、特種建筑增強(qiáng)材料、非織造布和紙張?jiān)鰪?qiáng)材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合板材等。
本發(fā)明的制備方法還可應(yīng)用于其他超高分子量聚合物的加工，如超高分子量聚乙烯醇的紡絲加工。


圖1為本發(fā)明高強(qiáng)聚乙烯纖維制造工藝流程圖具體實(shí)施方式
下面用實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，有利于對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)、效果更好的了解，但所述實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不是限制本發(fā)明。
實(shí)施例1選用分子量為1×106的超高分子量聚乙烯200克，將其和800克十氫萘溶劑(工業(yè)級(jí)，B.P185～195℃)加入不銹鋼反應(yīng)釜中，開啟攪拌，加熱到60℃，溶脹1.5小時(shí)，然后經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)溶解，雙螺桿擠出機(jī)的長(zhǎng)徑比為30/1，螺桿轉(zhuǎn)速為60r/min，螺桿溶解段溫度為180℃，形成濃度為20％的紡絲原液；再?gòu)膰娊z孔(長(zhǎng)徑比為10/1，孔徑為1mm)以1m/min的速率擠出，經(jīng)一長(zhǎng)度為20cm的第一溫控區(qū)(內(nèi)部中心區(qū)域溫度為150℃)進(jìn)行縱向拉伸，加熱方式為電加熱，拉伸倍數(shù)為10倍，然后經(jīng)長(zhǎng)度為3m的第二溫度控制區(qū)(內(nèi)部中心區(qū)域溫度為60℃)，進(jìn)行固化，形成干態(tài)原絲，溶劑揮發(fā)占溶劑總量95％；干態(tài)原絲在130℃和135℃熱箱中進(jìn)行兩級(jí)拉伸，拉伸倍數(shù)為10倍；得到斷裂強(qiáng)度為25g/d，模量為1000g/d的纖維。
實(shí)施例2選用分子量為3×106的超高分子量聚乙烯80克，將其和920克十氫萘溶劑(工業(yè)級(jí)，B.P185～195℃)加入不銹鋼反應(yīng)釜中，開啟攪拌，加熱到90℃，溶脹2小時(shí)，然后經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)塑化溶解，雙螺桿擠出機(jī)的長(zhǎng)徑比為40/1，螺桿轉(zhuǎn)速為50r/min，螺桿溶解段溫度為170℃，形成濃度為8％的紡絲原液；再?gòu)膰娊z孔(長(zhǎng)徑比為15/1，孔徑為0.8mm)以3m/min的速率擠出，然后連續(xù)經(jīng)一長(zhǎng)度為30cm的第一溫控區(qū)(內(nèi)部中心區(qū)域溫度為200℃)進(jìn)行縱向拉伸，加熱方式為電加熱，拉伸倍數(shù)為5倍(拉伸速度為15m/min)，再經(jīng)長(zhǎng)度為4m的第二溫度控制區(qū)(內(nèi)部中心區(qū)域溫度為50℃)，進(jìn)行固化，形成干態(tài)原絲，溶劑揮發(fā)占總?cè)軇┝康?6％；干態(tài)原絲直接經(jīng)125℃、130℃和135℃的熱箱中進(jìn)行三級(jí)熱拉伸，拉伸倍數(shù)為20倍(拉伸速度為300m/min)；得到斷裂強(qiáng)度為45g/d；模量為1500g/d的纖維。
實(shí)施例3選用分子量為5×106的超高分子量聚乙烯50克，將其和950克十氫萘溶劑(工業(yè)級(jí)，B.P185～195℃)加入不銹鋼反應(yīng)釜中，開啟攪拌，加熱到100℃，溶脹2.5小時(shí)，然后經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)塑化溶解，雙螺桿擠出機(jī)的長(zhǎng)徑比為50/1，螺桿轉(zhuǎn)速為30r/min，螺桿溶解段溫度為160℃，形成濃度為5％的紡絲原液；再?gòu)膰娊z孔(長(zhǎng)徑比為25/1，孔徑為0.9mm)以0.5m/min的速率擠出，經(jīng)一長(zhǎng)度為40cm的第一溫控區(qū)(內(nèi)部中心區(qū)域溫度為220℃)進(jìn)行縱向拉伸，熱套采用高溫聯(lián)苯加熱，拉伸倍數(shù)為30倍，然后經(jīng)長(zhǎng)度為5m的第二溫度控制區(qū)(內(nèi)部中心區(qū)域溫度為80℃)，進(jìn)行固化，形成干態(tài)原絲，溶劑揮發(fā)占總?cè)軇┝康?8％；干態(tài)原絲在溫度為140℃熱箱中進(jìn)行5級(jí)拉伸，拉伸倍數(shù)為8倍；得到斷裂強(qiáng)度為35g/d；模量為1000g/d的纖維。
實(shí)施例4選用分子量為3.5×106的超高分子量聚乙烯160克，將其和840克十氫萘溶劑(工業(yè)級(jí)，B.P185～195℃)加入不銹鋼反應(yīng)釜中，開啟攪拌，加熱到100℃，溶脹3小時(shí)，然后經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)塑化溶解，雙螺桿擠出機(jī)的長(zhǎng)徑比為30/1，螺桿轉(zhuǎn)速為60r/min，螺桿溶解段溫度為190℃，形成濃度為16％的紡絲原液；再?gòu)膰娊z孔(長(zhǎng)徑比為6/1，孔徑為0.9mm)以5m/min的速率擠出，經(jīng)一長(zhǎng)度為25cm的第一溫控區(qū)(內(nèi)部中心區(qū)域溫度為195℃)進(jìn)行縱向拉伸，加熱方式為電加熱，拉伸倍數(shù)為15倍，然后經(jīng)長(zhǎng)度為5m的第二溫度控制區(qū)(兩段控溫，梯度降溫，內(nèi)部中心區(qū)域溫度分別為110℃、85℃)，進(jìn)行固化，形成干態(tài)原絲，溶劑揮發(fā)為總?cè)軇┝康?9％；干態(tài)原絲在溫度為130℃熱箱中進(jìn)行2級(jí)拉伸，拉伸倍數(shù)為5倍；得到斷裂強(qiáng)度為25g/d；模量為750g/d的纖維。
實(shí)施例5同實(shí)施例1，不同的是超高分子量聚乙烯中還加入0.5克的2，6-二叔丁基對(duì)甲酚和0.5克的硬脂酸鋁，得到斷裂強(qiáng)度為29g/d；模量為1050g/d的纖維。
實(shí)施例6選用分子量為6×106的超高分子量聚乙烯40克、0.4克2，6-二叔丁基對(duì)甲酚和0.4克的硬脂酸鋁，將其和960克十氫萘加入不銹鋼反應(yīng)釜中，開啟攪拌，加熱到80℃，溶脹3小時(shí)，然后升溫至140℃溶解，形成濃度為4％的紡絲原液；再?gòu)膰娊z孔(長(zhǎng)徑比為20/1，孔徑為0.6mm)以2m/min的速率擠出，經(jīng)一長(zhǎng)度為35cm的第一溫度控制區(qū)(內(nèi)部中心區(qū)域溫度為185℃)進(jìn)行縱向拉伸，加熱方式為電加熱，拉伸倍數(shù)為7倍，然后經(jīng)長(zhǎng)度為5m的第二溫度控制區(qū)(三段控溫，梯度升溫，內(nèi)部中心區(qū)域溫度分別為60℃、90℃、120℃)，進(jìn)行固化，形成干態(tài)原絲，溶劑揮發(fā)為總?cè)軇┝康?6％；干態(tài)原絲在溫度為120℃熱箱中進(jìn)行2級(jí)拉伸，拉伸倍數(shù)為20倍；得到斷裂強(qiáng)度為45g/d；模量為1500g/d的纖維。
實(shí)施例7同實(shí)施例2，不同的是紡絲原液以50m/min的速度從噴絲板擠出，縱向拉伸倍數(shù)為3倍(拉伸速度為150m/min)，干態(tài)原絲經(jīng)三級(jí)拉伸，拉伸倍數(shù)為10倍(拉伸速度為1500m/min)，得到斷裂強(qiáng)度為25g/d；模量為700g/d的纖維。
實(shí)施例8同實(shí)施例2，不同的是紡絲原液以30m/min的速度從噴絲板擠出，縱向拉伸倍數(shù)為5倍(拉伸速度為150m/min)，干態(tài)原絲經(jīng)五級(jí)拉伸，拉伸倍數(shù)為20倍(拉伸速度為3000m/min)，得到斷裂強(qiáng)度為28g/d；模量為1000g/d的纖維。
實(shí)施例9～13


盡管對(duì)本發(fā)明已作了詳細(xì)的說明并引證了一些具體實(shí)例，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，只要不離開本發(fā)明的精神和范圍可作各種變化或修正是顯然的。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制造方法，包括超高分子量聚乙烯溶液干法紡絲過程和熱拉伸過程，其特征在于在干法紡絲過程中，溶液從噴絲板擠出后經(jīng)過縱向拉伸流變和固化，形成含有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)的干態(tài)原絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯溶液干法紡絲過程為將超高分子量聚乙烯在溶劑中進(jìn)行溶脹，溶解，形成紡絲溶液；然后經(jīng)噴絲板擠出得到溶液細(xì)流；將溶液細(xì)流再經(jīng)過第一溫控區(qū)的縱向拉伸流變和第二溫控區(qū)的固化，形成干態(tài)原絲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于所述的縱向拉伸流變?cè)诘谝粶乜貐^(qū)內(nèi)進(jìn)行，第一溫控區(qū)溫度控制在超高分子量聚乙烯溶解溫度～超高分子量聚乙烯分解溫度低10℃的范圍內(nèi)，或控制在超高分子量聚乙烯溶解溫度～溶劑自燃溫度低10℃的范圍內(nèi)，上限溫度取二者中較低值；第一溫控區(qū)長(zhǎng)度為10～40cm，第一溫控區(qū)的縱向拉伸流變倍數(shù)為3～30倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于所述的固化在第二溫控區(qū)內(nèi)進(jìn)行，第二溫控區(qū)溫度控制在30℃～超高分子量聚乙烯溶解溫度的范圍內(nèi)，長(zhǎng)度為1～6m，優(yōu)選為3～5m；第二溫控區(qū)可采用一段溫度控制或多段溫度控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于采用一段溫度控制時(shí)，第二溫控區(qū)溫度控制在50℃～120℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于所述的多段溫度控制可為2段或2段以上溫度控制，優(yōu)選2～4段，且各段溫度控制可沿絲束方向逐段下降10～30℃，或沿絲束方向逐段升高10～30℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于經(jīng)過縱向拉伸和紡絲固化后，溶劑揮發(fā)量為總?cè)軇┝康?5％以上，優(yōu)選為99％以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯的重均分子量可為1×106～6×106，優(yōu)選的為3.5×106～5×106；所述的溶劑為碳原子個(gè)數(shù)為6～14的碳?xì)浠衔铮瑑?yōu)選為十氫萘；所述超高分子量聚乙烯溶液的重量百分比濃度為4～20％，優(yōu)選4～16％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于所述的噴絲板長(zhǎng)徑比為6/1～30/1，孔徑為0.6～1mm；所述的噴絲板擠出速率為0.5～50m/min，優(yōu)選0.5～20m/min，更優(yōu)選為0.5～10m/min。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于超高分子量聚乙烯的溶解-擠出-縱向拉伸流變-固化-熱拉伸整個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行，一步完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)聚乙烯纖維的制造方法，包括超高分子量聚乙烯溶液干法紡絲過程和熱拉伸過程，其特征在于在干法紡絲過程中，溶液從噴絲板擠出后經(jīng)過縱向拉伸流變和固化，形成含有適度大分子纏結(jié)點(diǎn)的干態(tài)原絲；采用本發(fā)明的制造方法所得高強(qiáng)聚乙烯纖維斷裂強(qiáng)度為15～45g/d，模量為500～1500g/d；本發(fā)明采用縱向拉伸流變和固化相結(jié)合技術(shù)制造高性能聚乙烯纖維，在保證纖維優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，縮短了工藝流程，提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備投資和生產(chǎn)成本，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)D01D5/00GK1590608SQ03156300
公開日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2003年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月3日
發(fā)明者金小芳, 張琦, 張彩霞, 林相來, 王顥, 畢英華, 馬彥, 林華體, 孫玉山, 李啟明 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)紡織科學(xué)研究院