專利名稱：雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續(xù)溶解和解纏紡絲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續(xù)溶解和解纏 紡絲裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，凝膠紡絲是目前工業(yè)化過程中最為成功的超高分子量柔性鏈紡絲 方法，它是將超高分子量的柔性鏈高聚物以較低的濃度溶解在溶劑中，制成溶 液的目的是利用溶劑在一定程度上拆散相互纏結(jié)在一起的超高分子量原料分 子，同時防止產(chǎn)生新的纏結(jié)，在增大體系流動性，提供體系可紡性的同時，提 供給凝膠絲合適的初生絲結(jié)構(gòu)，以利用超倍后拉伸的展開，形成高結(jié)晶、高取 向的高強纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)。
超高分子量聚乙烯在溶劑中的溶解過程可分為二個階段溶脹和溶解。在溶 脹階段，主要表現(xiàn)為溶劑向超高分子量聚乙烯中滲透與擴散，它是溶解混勻的 關(guān)鍵。然而，溶脹是一個緩慢過程，原因在于高結(jié)晶的超高分子量聚合體阻礙 了溶劑的滲透。不適當(dāng)?shù)娜苊洉?dǎo)致在超高分子量聚乙烯顆粒表層形成一高粘 稠層，它即阻止溶劑向聚合體內(nèi)不斷滲透和擴散，又妨礙溶解過程中聚體大分 子向溶劑中擴散，因此控制超高分子量聚乙烯的溶脹顯得尤為重要。
溶解是將一定量的超高分子量聚乙烯原料經(jīng)加熱和較長時間保溫過程而造 成的熱分解。超高分子量聚乙烯在高溫與氧氣接觸宜發(fā)生熱氧化降解，導(dǎo)致分 子量急劇下降及色澤變黃，避免熱氧化降解的發(fā)生，是溶解過程中最主要的工 作之一。同時消泡和脫泡也是溶解過程中重要的一環(huán)，溶解結(jié)束后，紡絲原液 的粘度依然很高，紡絲原液中存在大量的氣泡，氣泡的存在會使紡出的凝膠絲 條成為氣泡絲，導(dǎo)致牽伸時絲條斷裂，無法得到性能合格的成品纖維，因此要 對紡絲原液進行脫泡。
美國Allied公司專利US4,413，110，日本可樂麗公司的JP.86-73743,中國專 利97106768為代表的現(xiàn)有技術(shù)中，多以雙螺桿為主要溶解擠出手段，這種方式 存在以下問題1、 雙螺桿脈動問題作為過去主要用于塑料行業(yè)的雙螺桿擠出機，雖然有良 好的混煉效果，但它所特有的脈動特點，在紡絲時壓力會產(chǎn)生脈動變化，從而 極大地影響紡絲的穩(wěn)定性和紡絲質(zhì)量的下降。
2、 高效經(jīng)濟生產(chǎn)問題由于雙螺桿的不可能做的無限長，因而，若要提高產(chǎn) 量，就要加快速度或增加其他的輔助溶解手段，而加快速度，就會導(dǎo)致溶液在 螺桿中的停留時間縮短，導(dǎo)致溶解的不足，從而無法制造合格的初生絲。如果 降低溶解的速度，就會大大降低產(chǎn)量，無法實現(xiàn)經(jīng)濟生產(chǎn)。增加其他的溶解手 段，也存在成本增加，控制困難等問題。
3、 混煉元件增加帶來的問題為保證物料能夠經(jīng)高效混煉達到充分均一化， 必須增加捏合塊、反螺紋塊以及其他混煉元件的數(shù)量，使物料在雙螺桿擠出機 中的停留時間加長，但反螺紋塊數(shù)量加多會影響擠出機的輸出能力和機頭壓力， 更重要的是高分子量聚乙烯原料在螺桿中停留的時間過長，會導(dǎo)致降解過大和 顏色變黃，影響成品纖維的性能。
美國Allied公司專利US4,413，110(見圖1)，日本可樂麗公司的JP.86-73743
(見圖2)等專利均采用雙螺桿為溶解和擠出方式紡絲，為了彌補雙螺桿溶解的 不足，即料液在雙螺桿擠出機中的停留時間較為短暫，需增加雙螺旋混合器， 高速鼓式混合器，溶解槽等裝置，目的是加快溶解的均勻性和溶解效率，從而 獲得較大產(chǎn)能，實現(xiàn)經(jīng)濟生產(chǎn)的目地。由于這些輔助的溶解措施，設(shè)備復(fù)雜， 成本高，難以連續(xù)進行，脫泡困難，經(jīng)溶解后的溶液由于粘度非常大，輸送也 是很大的困難。
中國專利97106768 (見圖3)采用大長徑比的雙螺桿一次完成從懸浮液到 溶脹、均勻溶解、脫泡、擠出的方案，事實上工業(yè)生產(chǎn)過程中雙螺桿不可能制 造的特別長，而超高分子量聚乙烯在溶劑中的溶解過程可分為二個階段溶脹 和溶解。在溶脹階段，主要表現(xiàn)為溶劑向超高分子量聚乙烯中滲透與擴散，它 是溶解混勻的關(guān)鍵。然而，溶脹是一個緩慢過程，原因在于高結(jié)晶的超高分子 量聚合體阻礙了溶劑的滲透。如果混合液在螺桿中停留的時間短，則可能導(dǎo)致 溶脹溶解不足，無法制造高品質(zhì)的初生絲，如果停留時間太長，則可能導(dǎo)致溶 液的氧化降解，同時也會極大地影響產(chǎn)量，無法達到經(jīng)濟生產(chǎn)。 發(fā)明內(nèi)容分子量聚乙烯均勻溶液的連續(xù)溶解和解纏 紡絲裝置，依此包括溶脹釜、超高分子量聚乙烯懸浮液儲存釜、平行同向雙螺 桿擠出機、溶體泵、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒裝置，其特征在于在溶體泵和噴 絲板之間連接有單螺桿擠出機，溶體泵的輸出端連接單螺桿擠出機的輸入口， 單罈桿擠出機的輸出口連接噴絲板，平行同向雙螺桿擠出機中的雙螺桿為大長 徑比，單螺桿擠出機中的單螺桿為小長徑比，平行同向雙螺桿擠出機中的雙螺
桿為大長徑比為L/D-28 56，單螺桿擠出機中的單螺桿為小長徑比為170=7~15。
本實用新型的優(yōu)點是采用了超高分子量聚乙烯在垸烴類溶劑中進行適度溶脹，
制得超高分子量聚乙烯的懸浮液，連續(xù)、定量地喂入雙螺桿擠出機中完成溶脹、
預(yù)溶解、脫泡過程，然后通過溶體泵喂入單螺桿擠出機，通過單螺桿擠出機進
行快速的溶解，然后加壓擠出，經(jīng)過紡絲組件及冷卻，形成合格的絲條，從而
更為簡捷地實現(xiàn)連續(xù)制備均勻的紡絲溶液過程。


圖1——圖3為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖4為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，
下面結(jié)合實例對本實用新型作詳細說明。
具體實施方式

圖4中依此包括溶脹釜1、超高分子量聚乙烯懸浮液儲存釜2、平行同向雙螺桿擠 出機3、溶體泵4、噴絲板6、冷凝池7、絡(luò)筒裝置8，其特征在于在溶體泵4和 噴絲板6之間連接有單螺桿擠出機5，溶體泵4的輸出端連接單螺桿擠出機5的輸 入口，單螺桿擠出機5的輸出口連接噴絲板6。平行同向雙螺桿擠出機3中的雙螺 桿為大長徑比，單螺桿擠出機5中的單螺桿為小長徑比。平行同向雙螺桿擠出機 3中的雙螺桿為大長徑比為170=28~56，單螺桿擠出機5中的單螺桿為小長徑比為 L/D=7~15。
由于本裝置采用大的長徑比的平行同向雙螺桿擠出機3和小的長徑比單螺 桿擠出機5進行組合，因而可以通過雙螺桿達到完成溶漲和預(yù)溶解及脫泡的目
的，然后以較快速度完成均勻的溶解和擠出，具體為(1)將超高分子量聚乙烯懸浮液呈均勻喂入平行同向雙螺桿擠出機3，喂 入口的溫度不宜過高，以防止喂入口的堵塞；雙螺桿螺紋塊的運動會使溶液不 斷產(chǎn)生很薄的界面，它對氣泡排除了提供了很好的條件，在雙螺桿的后部迅速 溶提高至解溫度，以利于超高分子量聚乙烯溶解所需的能量，使大分子能迅速 地擴散到溶劑中去；以便完成部分溶解，使溶體的粘度迅速提高，增大機頭與 輸入口的壓力差，使其大量的氣泡依靠前后的巨大的壓差，迅速自動向后通過 排氣裝置排出。
根據(jù)相關(guān)的專利數(shù)據(jù)表明當(dāng)雙螺桿機頭壓力達到20kg/cr^以上，即使溶 液的粘度至5000c.p.，氣泡會自然地向壓力小的方向(喂入口)運動，并通過 螺紋與螺套之間的間隙從雙螺桿擠出機的喂入口排除，雙螺桿擠出機機頭之間 的諸多部位如過濾器、紡絲組建的壓降，適當(dāng)提高雙螺桿擠出機的輸出壓力 至25 kg/ci^是必要的，將壓力控制在25—40 kg/cr^之間均能使紡絲得以順利 進行。
(2)通過單螺桿擠出機5進一步的快速溶解，利用單螺桿具有穩(wěn)定壓力輸 出的特點，將得到良好解纏的溶體直接簡單地輸送到噴絲板，通過紡絲組件和 冷卻等裝置，可以使紡絲得以迅速順利進行。
本實用新型以下列實施例予以說明，但本實用新型的專利保護范圍不受實例條
件的局限。
實施例-
將重均分子量為3~5X 105的超高分子量聚乙烯,制得濃度為8%的超高分子 量聚乙烯的懸浮液。將此懸浮液的攪拌狀態(tài)下，定量加入到L/D-48，直徑O 108mm的平行同向雙螺桿擠出機3的加料漏斗中，轉(zhuǎn)速為每分卯 250 r. p. m.， 經(jīng)過雙螺桿溶脹、預(yù)溶解和脫泡。然后將所得淤漿通過熔體泵打入到L/D-15， 直徑①150的單螺桿擠出機5中，螺桿的轉(zhuǎn)速為60 90r.p.m.，再通過過濾器、 計量泵、紡絲組件，噴絲板為直徑1MM，孔數(shù)為240孔，紡絲位為8個，可以 實現(xiàn)每小時500 650公斤的連續(xù)、均勻得到透明、無氣泡的超高分子量聚乙烯 絲條。
將上述凍膠絲進行連續(xù)萃取，干燥和超倍拉伸，可制得強度為25g/d的高強、 高模聚乙烯纖維。對照例h
按實施例制得的超高分子量聚乙烯懸浮液喂入不帶有本實用新型所指的雙螺桿 擠出機進行溶脹、脫泡和溶解擠出時(溶解條件與實施例基本相同)，從雙螺 桿擠出機的機頭模口吐出的絲條中可見此時超高分子量聚乙烯未能充分溶解， 表現(xiàn)為絲條粗細不均，驟冷之后所得凍膠絲條呈現(xiàn)極差的拉伸性能。調(diào)整各區(qū) 的溫度和捏和塊，反螺紋塊，降低螺桿的轉(zhuǎn)速，也可以制得基本符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 的纖維，但產(chǎn)量會降低至150 280公斤。
權(quán)利要求1、雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續(xù)溶解和解纏紡絲裝置，依此包括溶脹釜、超高分子量聚乙烯懸浮液儲存釜、平行同向雙螺桿擠出機、溶體泵、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒裝置，其特征在于在溶體泵和噴絲板之間連接有單螺桿擠出機，溶體泵的輸出端連接單螺桿擠出機的輸入口，單螺桿擠出機的輸出口連接噴絲板。
2、 按權(quán)利要求l所述的雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續(xù)溶解和解纏紡 絲裝置，其特征在于平行同向雙螺桿擠出機中的雙螺桿為大長徑比為L/D=28~56，單螺桿擠出機中的單螺桿為小長徑比為L/D-7 15。
專利摘要本實用新型涉及一種雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續(xù)溶解和解纏紡絲裝置。依此包括溶脹釜、超高分子量聚乙烯懸浮液儲存釜、平行同向雙螺桿擠出機、溶體泵、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒裝置，其特征在于在溶體泵和噴絲板之間連接有單螺桿擠出機，溶體泵的輸出端連接單螺桿擠出機的輸入口，單螺桿擠出機的輸出口連接噴絲板，本實用新型的優(yōu)點是采用了超高分子量聚乙烯在烷烴類溶劑中進行適度溶脹，制得超高分子量聚乙烯的懸浮液，連續(xù)、定量地喂入雙螺桿擠出機中完成溶脹、預(yù)溶解、脫泡過程，通過溶體泵喂入單螺桿擠出機，通過單螺桿擠出機進行快速的溶解，加壓擠出，經(jīng)過紡絲組件及冷卻，形成合格絲條，從而更為簡捷地實現(xiàn)連續(xù)制備均勻的紡絲溶液過程。
文檔編號D01D13/00GK201372333SQ20092006701
公開日2009年12月30日 申請日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者劉華軒, 王惠芬, 新 陳 申請人:上海博迪紡織新材料有限公司;常州市恒力機械有限公司