專利名稱：超高強度、超高模量聚乙烯纖維的紡制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚乙烯纖維的制造，更具體地說，涉及一種超高強度、超高模量聚乙烯纖維的紡制方法這種聚乙烯纖維是以超高分子量的聚乙烯為原料紡制而成，其強力達17.6CN/dtex以上的。目前都是以凝膠法進行紡制，只有美國、荷蘭、日本三個發(fā)達國家有能力進行生產(chǎn)。
早在50年代末，世界先進國家開始對利用柔性鏈高分子聚乙烯制備高強高模纖維進行研究，經(jīng)過數(shù)十年的努力才達到現(xiàn)有的生產(chǎn)水平。1992年荷蘭DSM公司申請了超高強力聚乙烯凝膠法紡絲技術(shù)專利。美國ALLIED公司率先購買了該專利，經(jīng)過技術(shù)改造后，水平進一步提高。日本TOYOBO則與DSM公司聯(lián)合生產(chǎn)超高強力聚乙烯纖維。而日本的MITSUI公司緊隨其后形成獨特的技術(shù)。
由于超高強力聚乙烯纖維具有超輕、高強力、高模數(shù)等優(yōu)異特性，應(yīng)用范圍極其廣泛，發(fā)展前景相當樂觀。目前紡制這種纖維的技術(shù)屬高分子材料方面的高新技術(shù)，被極少數(shù)發(fā)達國家所壟斷，即使是產(chǎn)品也不向我國出口。因此，超高強力聚乙烯纖維研究課題被列入國家自然科學(xué)基金課題。
超高分子量聚乙烯(簡稱UHMWPE)，是一種綜合性能十分優(yōu)異的熱塑性工程塑料。在申請?zhí)枮?1130158.9的“超高分子量聚乙烯三元共混料及其制備方法”發(fā)明專利中有詳細的介紹，因其具有超強的耐磨性(是鋼鐵的8-9倍、尼龍的4倍、黃銅的27倍)；優(yōu)異的耐沖擊性(是聚碳酸酯的2倍、ABS的5倍、聚甲醛的15倍)，尤其難得的是在液氮-196℃中仍保持其優(yōu)異的沖擊強度；優(yōu)良的耐藥性和耐腐蝕性，可與聚四氟乙烯相媲美，在一定的溫度和濃度范圍內(nèi)，耐各種腐蝕性液體和有機溶劑；摩擦系數(shù)低(其動摩擦系數(shù)為0.1-0.22)，是理想的自潤滑材料；極好的消音性和無毒性等優(yōu)點，因而在世界范圍內(nèi)倍受人們的青睞，其應(yīng)用范圍十分廣泛。
但是，由于UHMWPE的熔融黏度極高(達109Pa.S)，流動性能極差——其融體的熔融指數(shù)幾乎為零。所以，很難直接進行熔融擠出噴絲，這是因為1、由于UHMWPE的黏度極高，不成粘流態(tài)，而是處于高粘彈態(tài)。所以在常規(guī)螺桿擠出機上加工時，物料很難沿螺桿推進，而是包住螺桿一起旋轉(zhuǎn)，陷入不能擠出的狀態(tài)，形成“料塞”；2、UHMWPE的摩擦系數(shù)極低，使粉料在進料過程中極易打滑，不易進料；3、UHMWPE的臨界剪切速率很低，約10-2/S，在擠出成型時會造成融體破裂；4、成型溫度范圍窄，極易氧化降解。
由于UHMWPE的加工存在上述難點，所以，國內(nèi)外目前均采用溶劑稀釋后的冷凍凝膠法紡制纖維的工藝和設(shè)備。但是使用凝膠法紡制技術(shù)需要的設(shè)備繁多，成本極高，而且工藝復(fù)雜，易造成環(huán)境污染。
本發(fā)明可通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，一種超高強度、超高模量聚乙烯纖維的紡制方法，其特征在于，包括以下步驟a、將準備好的超高分子量聚乙烯共混原料送入螺桿熔融擠壓機，進行熔融處理，并由其旋轉(zhuǎn)螺桿送出；b、將熔融狀態(tài)的原料送入紡絲箱由其噴絲頭噴絲，再經(jīng)予牽伸處理后進行卷繞得到半成品絲；
c、將所述半成品絲進行多道高倍牽伸處理；d、卷繞后得到成品聚乙烯纖維絲。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在所述步驟a中，用混合加料機將原料定量送入到所述螺桿熔融擠壓機中。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在所述步驟a中，所述螺桿熔融擠壓機通過加熱和其螺桿旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的剪切力，對原料進行熔融處理。所述螺桿熔融擠壓機內(nèi)設(shè)有三個溫度段輸入段的溫度為220-240℃，第二段的溫度為260-300℃，第三段的溫度為280-320℃；所述螺桿熔融擠壓機的輸出機頭的溫度為280-300℃。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在所述步驟b中，所述紡絲箱內(nèi)部的溫度保持恒定，熔融狀態(tài)的原料經(jīng)紡絲箱內(nèi)的計量泵計量、再經(jīng)熔體管送到噴絲頭進行噴絲。其中由聯(lián)苯鍋爐提供熱量以保持所述紡絲箱內(nèi)部的溫度恒定。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在所述步驟b中，還包括對所噴出的絲進行驟冷處理及上油處理的步驟，然后通過甬道送到予牽伸裝置進行予牽伸處理，然后由前紡卷繞機卷繞得到半成品絲。其中，采用工業(yè)空調(diào)進行驟冷處理，以使噴出的絲保持無定型狀態(tài)或盡可能低的結(jié)晶度；采用絲上油裝置進行上油處理，以增加所噴出的絲相互間的親和力并消除靜電。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述步驟c中的多道高倍牽伸處理具體包括以下步驟將所述半成品絲送入第一加熱裝置進行加熱后，由第一牽伸裝置進行牽引，以增加絲的強度；重復(fù)所述加熱及牽伸步驟，直到將所述半成品絲牽伸70倍以上；由熱處理裝置進行定型熱處理，使分子鏈有足夠的松弛能力并消除內(nèi)應(yīng)力；經(jīng)熱導(dǎo)絲輥及導(dǎo)絲輥后，送到成品絲卷繞裝置進行卷繞。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在所述步驟a與步驟b之間，還包括用過濾器對所述熔融狀態(tài)的原料進行過濾以除去雜質(zhì)的步驟。
本發(fā)明提供了一種新的聚乙烯纖維紡制方法，工藝流程簡單，能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，并可節(jié)約能源、減少污染、保護環(huán)境。
下面將結(jié)合附圖
及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，前紡工藝的流程及對應(yīng)的前紡設(shè)備分別如圖2和圖3所示，前紡工藝具體包括以下步驟1、將準備好的原料經(jīng)混合加料機1定量送入到螺桿熔融擠壓機2，其中采用強制式定量加料。
2、螺桿熔融擠壓機通過加熱和其螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力，對原料進行熔融處理；為使原料充分熔融塑化，螺桿熔融擠壓機2內(nèi)設(shè)有三個溫度段輸入段的溫度為220-240℃，第二段的溫度為260-300℃，第三段的溫度為280-320℃；螺桿熔融擠壓機的輸出機頭的溫度為280-300℃。
3、用過濾器3對熔融狀態(tài)的原料進行過濾，以除去其中的雜質(zhì)，然后送入紡絲箱4。
4、從圖2中可以看出，紡絲箱內(nèi)部依次設(shè)有計量泵、熔體管和噴絲頭，并由聯(lián)苯鍋爐提供熱量以使紡絲箱內(nèi)部的溫度保持恒定。熔融狀態(tài)的原料經(jīng)計量泵計量、再經(jīng)熔體管送到噴絲頭進行噴絲。為保持溫度均勻，可以將螺桿熔融擠壓機2的輸出機頭至紡絲箱噴絲頭這一段全部放入紡絲箱內(nèi)，由聯(lián)苯鍋爐提供的加熱載體保持溫度恒定。
5、利用驟冷裝置5對所噴出的絲進行驟冷處理，使噴出的絲保持無定型狀態(tài)或盡可能低有結(jié)晶度，其中采用工業(yè)空調(diào)機組提供冷量。熔融狀態(tài)的原料經(jīng)噴絲頭噴絲后，隨即進行驟冷，這樣可使噴出的絲保持無定型或可能低的結(jié)晶度，以利于提高拉伸程度及拉伸的均勻性。另外，在較低的溫度下，結(jié)晶成核速度快，單位體積內(nèi)所生成的晶核數(shù)目多，球晶較小，容易在拉伸中形成穩(wěn)定的細頸，從而獲得較好的物理機械性能。
6、采用絲上油裝置進行上油處理，以增加所噴出的絲相互間的親和力并消除靜電。
7、將所處理后的絲通過紡絲甬道6予牽伸后送入前紡卷繞機7進行卷繞得到半成品絲。
本發(fā)明的多道高倍牽伸處理工藝是在高于玻璃化溫度、低于熔點溫度之間進行的，只有進行高倍牽伸的纖維，才具有高強度。如圖4所示是為本發(fā)明配置的專用牽伸機，它是滿足超高強度、超高模量纖維工藝要求，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。通過該設(shè)備可使物料的大分子鏈達到高聚向度和高結(jié)晶度，以實現(xiàn)纖維的高強度特性。從圖4中可以看出其具體步驟。
首先將原料絲1通過喂入裝置2送入第一加熱裝置3進行加熱，再送入第一牽伸裝置4進行牽引。
然后送入第二加熱裝置5進行加熱處理，再送入第二牽伸裝置6進行牽引。原料絲經(jīng)兩次加熱和牽伸處理后，分子鏈段熱運動增加，加快了松弛過程，絲在拉力作用下，產(chǎn)生細頸，并且沿著拉伸方向排列成許多微狀絲晶，細頸中由絲狀微晶束構(gòu)成的纖維沿拉伸方向排列，分子鏈沿拉伸方向取向。經(jīng)過多道拉伸后(拉伸倍數(shù)不低于70倍)，絲的強度會達到最高。
然后由熱處理裝置7進行定型熱處理，使分子鏈有足夠的松弛能力并消除內(nèi)應(yīng)力；因為單絲在拉伸中，其分子鏈段可能會產(chǎn)生相對移動和再結(jié)晶，容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當外力撤消后，會逐漸松弛并產(chǎn)生收縮，為消除此現(xiàn)象，需進行熱處理，使分子鏈有足夠松弛能力，達到消除內(nèi)應(yīng)力的目的。
最后，經(jīng)熱導(dǎo)絲輥8、導(dǎo)絲輥9送到成品絲卷繞裝置10進行卷繞，得到成品的聚乙烯纖維絲。
通過以上工藝，可獲得紡絲纖度為330-1650/dtex，強度為17.6CN/dtex，模量為882.3CN/dtex的超高強力、超高模量的聚乙烯纖維。
本發(fā)明首創(chuàng)的熔融紡絲法生產(chǎn)工藝，采用超高分子量聚乙烯作為混料，用螺桿熔融擠壓紡絲和多道高倍牽伸法進行生產(chǎn)，設(shè)備緊湊，生產(chǎn)流程短，工藝簡單，成本低，無污染，符合國家環(huán)保政策。這種工藝生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯合金纖維具有以下特點強度高、絲拉伸斷裂強度高；抗沖擊、抗撕裂強力高；比重小、重量輕；織物具有有效抵抗穿刺及抗撕裂口擴展能力；抗磨蝕；耐紫外線照射；耐腐蝕；疏水性材料，能在水中(包括海水)保持穩(wěn)定；電絕緣性優(yōu)良。
權(quán)利要求
1.一種超高強度、超高模量聚乙烯纖維的紡制方法，其特征在于，包括以下步驟a、將準備好的超高分子量聚乙烯共混原料送入螺桿熔融擠壓機，進行熔融處理，并由其旋轉(zhuǎn)螺桿送出；b、將熔融狀態(tài)的原料送入紡絲箱由其噴絲頭噴絲，再經(jīng)予牽伸處理后進行卷繞得到半成品絲；c、將所述半成品絲進行多道高倍牽伸處理；d、卷繞后得到成品聚乙烯纖維絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟a中，用混合加料機將原料定量送入到所述螺桿熔融擠壓機中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟a中，所述螺桿熔融擠壓機通過加熱和其螺桿旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的剪切力，對原料進行熔融處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述螺桿熔融擠壓機內(nèi)設(shè)有三個溫度段輸入段的溫度為220-240℃，第二段的溫度為260-300℃，第三段的溫度為280-320℃；所述螺桿熔融擠壓機的輸出機頭的溫度為280-300℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟b中，所述紡絲箱內(nèi)部的溫度保持恒定，熔融狀態(tài)的原料經(jīng)紡絲箱內(nèi)的計量泵計量、再經(jīng)熔體管送到噴絲頭進行噴絲。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，由聯(lián)苯鍋爐提供熱量以保持所述紡絲箱內(nèi)部的溫度恒定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟b中，還包括對所噴出的絲進行驟冷處理及上油處理的步驟，然后通過甬道送到予牽伸裝置進行予牽伸處理，然后由前紡卷繞機卷繞得到半成品絲。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，采用工業(yè)空調(diào)進行驟冷處理，以使噴出的絲保持無定型狀態(tài)或盡可能低的結(jié)晶度；采用絲上油裝置進行上油處理，以增加所噴出的絲相互間的親和力并消除靜電。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟c中的多道高倍牽伸處理具體包括以下步驟將所述半成品絲送入第一加熱裝置進行加熱后，由第一牽伸裝置進行牽引，以增加絲的強度；重復(fù)所述加熱及牽伸步驟，直到將所述半成品絲牽伸70倍以上；由熱處理裝置進行定型熱處理，使分子鏈有足夠的松弛能力并消除內(nèi)應(yīng)力；經(jīng)熱導(dǎo)絲輥及導(dǎo)絲輥后，送到成品絲卷繞裝置進行卷繞。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一頂所述的方法，其特征在于，在所述步驟a與步驟b之間，還包括用過濾器對所述熔融狀態(tài)的原料進行過濾以除去雜質(zhì)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超高強度、超高模量聚乙烯纖維的紡制方法，包括以下步驟將準備好的原料送入螺桿熔融擠壓機，進行熔融處理，并由其旋轉(zhuǎn)螺桿送出；將熔融狀態(tài)的原料送入紡絲箱由其噴絲頭噴絲，再經(jīng)預(yù)牽伸處理后進行卷繞得到半成品絲；將所述半成品絲進行多道高倍牽伸處理；卷繞后得到成品聚乙烯纖維絲。其中所述螺桿熔融擠壓機通過加熱和旋轉(zhuǎn)螺桿的剪切力，對原料進行熔融處理。所述多道高倍牽伸處理可增加絲的強度。本發(fā)明提供了一種新的聚乙烯纖維紡制方法，工藝流程簡單，能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，并可節(jié)約能源、減少污染、保護環(huán)境。
文檔編號D01F6/04GK1448546SQ0211502
公開日2003年10月15日 申請日期2002年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月1日
發(fā)明者閻鎮(zhèn)達, 劉生印 申請人:閻鎮(zhèn)達