專利名稱：梳狀高強(qiáng)高模聚乙烯解纏與擠出紡絲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯溶解與紡絲裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，有機(jī)高分子的主鏈由于分子鍵的自由旋轉(zhuǎn)，高分子鏈構(gòu)象中，全是反式構(gòu)象和全是左旁式構(gòu)象出現(xiàn)的概率是很小的，絕大部分呈現(xiàn)的是反式與旁式之間的構(gòu)象， 即既不是完全伸直也不是完全卷曲的構(gòu)象，而且由于熱運(yùn)動(dòng)，這些構(gòu)象也在不斷的振動(dòng)，改 變中，使長鏈表現(xiàn)出或多或少的柔性，尤其是一些非剛性的高分子鏈，使其在總體上表現(xiàn)為 無規(guī)線團(tuán)(見圖1)，這是大多數(shù)線型非極性高分子的穩(wěn)定構(gòu)象，而眾多的高分子鏈聚集在 一起，必然會(huì)相互纏結(jié)在一起。對(duì)于超高分子量的PE而言，首先考慮到PE分子的主鏈旋轉(zhuǎn)位能很低，因此柔性很 大，是目前所有高聚物中柔性最大的一種，同時(shí)隨著分子量的不斷提高，單根分子鏈產(chǎn)生拓 撲纏結(jié)的數(shù)量迅速上升，因此，這樣的高聚物材料雖然有熔點(diǎn)，但在熔融溫度處，體系的粘 度仍然很大，以至于無法進(jìn)行紡絲。凝膠紡絲是目前制造高模高強(qiáng)聚乙烯纖維最為成功的方法。它是將超高分子量的 柔性鏈高聚物材料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分子鏈，同時(shí)防止產(chǎn)生新的纏結(jié)，在增大體系流動(dòng)性，提 供體系可紡性的同時(shí)，提供給凝膠絲合適的初生絲結(jié)構(gòu)，以利于超倍熱拉伸的展開，形成高 結(jié)晶、高取向的高強(qiáng)纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)。而凝膠紡絲的關(guān)鍵在于超高分子量聚乙烯溶液的溶 解，大分子解纏狀態(tài)的保持。溶解是將一定量的超高分子量聚乙烯原料以一定的濃度溶于相應(yīng)的溶劑，經(jīng)加熱 和較長時(shí)間保溫過程而造成的熱分解，實(shí)現(xiàn)在一定程度上拆散相互纏結(jié)在一起的大分子 鏈，同時(shí)防止產(chǎn)生新的纏結(jié)，并通過如攪拌等方式的均勻混合和剪切促進(jìn)這種行為，據(jù)有關(guān) 實(shí)驗(yàn)和論著，溶解有以下特性a.通過對(duì)溶液彈性模量的測定，可以了解到半稀溶液比濃溶液中大分子纏結(jié)的確 少很多。但半稀溶液的流變特性基本上與濃溶液相似，屬于典型的假塑性流體。b.剪切速率對(duì)表現(xiàn)粘度的影響較大，也就是原液中的纏結(jié)點(diǎn)在較小剪切應(yīng)力作用 下容易拆散，此特點(diǎn)要求必須減小剪切應(yīng)力。c.柔性鏈大分子半稀溶液具有較高的彈性，施加較大剪切應(yīng)力時(shí)容易發(fā)生彈性湍 流現(xiàn)象。所以，要提高紡絲速度和制造良好的初生纖維，首先必須從良好的溶解開始，同時(shí) 還要對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量及其分布、溶劑性質(zhì)、紡絲溫度、噴絲孔道長徑比以及孔道進(jìn)口處前椎 體角度等方面綜合加以考慮。而溶解需要解決三大關(guān)鍵問題(1)經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)與熱氧化降解矛盾問題由于溶液中的纏結(jié)點(diǎn)施加較小的剪切 應(yīng)力更有利于拆散，而施加較大剪切應(yīng)力時(shí)又容易發(fā)生彈性湍流現(xiàn)象，所以應(yīng)該采用較小 的剪切應(yīng)力。而超高分子量聚乙烯在高溫與氧氣接觸易發(fā)生熱氧化降解，導(dǎo)致分子量急劇下降及色澤變黃，溶解速度過慢，不但容易產(chǎn)生熱降解而且顯然無法進(jìn)行高效的的規(guī)模生 產(chǎn)。因而，必須通過特殊設(shè)計(jì)的溶解設(shè)備以及溫度、時(shí)間等工藝條件的控制來抑制和盡量避 免這種現(xiàn)象。(2)脫泡問題溶解過程中和溶解結(jié)束后，紡絲原液的粘度很高，但紡絲原液中存 在大量的氣泡，氣泡的存在會(huì)使紡出的凝膠絲條成為氣泡絲，導(dǎo)致牽伸時(shí)絲條斷裂，無法得 到性能合格的成品纖維，因此要對(duì)紡絲原液進(jìn)行脫泡。
(3)溶液輸送問題溶解結(jié)束后，紡絲原液的粘度很高，因而輸送非常困難，方便 的輸送方式也是必須的。綜上所述溶解和解纏是制造高品質(zhì)初生絲的關(guān)鍵，而這個(gè)過程一般要通過溶解 設(shè)備的特殊設(shè)計(jì)以及溫度、時(shí)間等工藝條件的控制來抑制和盡量避免這種現(xiàn)象，同時(shí)，還必 須保證高粘度的溶液穩(wěn)定順利的擠出。美國Allied公司專利US4，413，1109，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(包含為提高溶解效率而采用的如溶解釜、雙 螺旋混合器、高速的鼓式混和器等輔助溶解設(shè)備)為主要溶解擠出手段，這些方式存在以 下問題a)雙螺桿脈動(dòng)問題作為過去主要用于塑料行業(yè)的雙螺桿擠出機(jī)，雖然有良好的 混煉效果，但它所特有的脈動(dòng)特點(diǎn)，在紡絲時(shí)壓力會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)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。b)高效經(jīng)濟(jì)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(huì)導(dǎo)致溶液在螺桿中的停留時(shí)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(huì)大大降低 產(chǎn)量，無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。c)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(dá)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(jī)中的停留時(shí)間加 長，但反螺紋塊數(shù)量加多會(huì)影響擠出機(jī)的輸出能力和機(jī)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(shí)間過長，會(huì)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US4，413，1109(見圖2)，日本可樂麗公司的 JP. 86-73743 (見圖3)等專利均采用雙螺桿為溶解和擠出方式紡絲，為了彌補(bǔ)雙螺桿的溶 解的不足，即料液在雙螺桿擠出機(jī)中的停留時(shí)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(shí)現(xiàn)經(jīng) 濟(jì)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(jìn)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4)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(shí)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(gè)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(kuò)散，它是溶解混勻的關(guān)鍵。然而，溶脹是一個(gè)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(shí)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(shí)間太長，則可能導(dǎo)致 溶液的氧化降解，同時(shí)也會(huì)極大地影響產(chǎn)量，無法達(dá)到經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。
中國專利200910045198. 4提出利用與本發(fā)明相同的梳狀解纏溶解裝置解決以上 問題，但把擁有較好共混功能的雙螺桿作為擠出機(jī)使用，會(huì)同樣帶來紡絲過程中的脈動(dòng)，影 響紡絲質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中采用雙螺桿為溶解和擠出方式紡絲所存在的上 述問題，提供一種帶有梳狀解纏擠出裝置的超高分子量聚乙烯溶液的溶解和解纏紡絲裝 置。本發(fā)明設(shè)計(jì)帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯溶解與紡絲裝置，包括溶脹釜、過渡 罐、雙螺桿擠出機(jī)、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒裝置，其特征在于在雙螺桿擠出機(jī)和噴絲板之間 連接有一梳狀解纏裝置，雙螺桿擠出機(jī)的輸出口接梳狀解纏裝置的輸入口，梳狀解纏裝置 的輸出口接噴絲板的輸入口。梳狀解纏裝置由可以調(diào)整速度動(dòng)力組件、機(jī)筒及螺桿組成，在 機(jī)筒上有可以分區(qū)控制溫度的加熱圈。在螺桿的桿體上和螺頂間密布有螺旋狀錐針形結(jié) 構(gòu)。梳狀解纏裝置的機(jī)筒尾部有排氣孔。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用了超高分子量聚乙烯在烷烴 類溶劑中進(jìn)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(jī) 中完成預(yù)溶解、脫泡過程，然后喂入梳狀解纏擠出裝置，通過梳狀解纏擠出裝置進(jìn)行快速的 溶解解纏，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(shí)現(xiàn)連 續(xù)制備均勻的紡絲溶液過程。


圖1為有機(jī)高分子的主鏈的示意圖，圖2——圖4為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為本發(fā)明的梳狀解纏擠出裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為圖6的A部放大圖。下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式包括溶脹釜1、過渡罐2、雙螺桿擠出機(jī)3、梳狀解纏擠出裝置4、噴絲板5、冷凝池 6、絡(luò)筒裝置7，其特征在于雙螺桿擠出和機(jī)3和噴絲板5之間連接有一梳狀解纏裝置4，雙 螺桿擠出和機(jī)3的輸出口接梳狀解纏裝置4的輸入口，梳狀解纏裝置4的輸出口接噴絲板 5。梳狀解纏裝置4由可以調(diào)整速度動(dòng)力組件10、機(jī)筒11及螺桿12組成，在機(jī)筒11上有可 以分區(qū)控制溫度的加熱圈13。在螺桿12的桿體上和螺頂間密布有螺旋狀錐針形結(jié)構(gòu)14。 梳狀解纏裝置4的機(jī)筒11尾部有排氣孔15。本發(fā)明采用了超高分子量聚乙烯在烷烴類溶 劑中進(jìn)行溶脹，喂入本發(fā)明所指的梳狀解纏裝置4，由于此結(jié)構(gòu)采用小的長徑比制造，它一 方面有類似螺桿12的推進(jìn)裝置，同時(shí)又有類似梳棉機(jī)結(jié)構(gòu)的針狀結(jié)構(gòu)后尾部的排氣孔15， 由于較小的剪切應(yīng)力更有利于將粘度很大的溶液解纏，而本發(fā)明所設(shè)計(jì)的梳狀解纏裝置的 特殊結(jié)構(gòu)可以在較慢的轉(zhuǎn)速下，極大提高解纏的效果；同時(shí)利用較大的機(jī)頭和輸入端的壓 力差，將大部分氣泡自動(dòng)向后通過排氣口排出；三是可以利用類似螺桿的分區(qū)控制溫度技 術(shù)和轉(zhuǎn)速調(diào)整功能，有效地控制溶解的溫度和速度。實(shí)現(xiàn)利用不同區(qū)段的加熱溫度，完成邊推進(jìn)，邊溶解和解纏和脫泡的連續(xù)過程。從而良好地解決使用普通的溶解釜槽等無法排氣 和推出困難等難題。溶解解纏后的紡絲液通過一個(gè)具有計(jì)量和溢流功能的裝置，直接輸送 到雙螺桿擠出機(jī)中完成進(jìn)一步的溶解、脫泡過程，然后連接后續(xù)的紡絲裝置，從而更為簡捷 地實(shí)現(xiàn)連續(xù)制備均勻的紡絲溶液過程。通過梳狀解纏裝置4和雙螺桿擠出機(jī)3的有機(jī)配合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)一 種快速、高效和節(jié)能的連續(xù)制備聚合體紡絲溶液的方法，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)纖維的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，由此 克服以往工藝中采用的復(fù)雜、繁瑣的均勻溶解和解纏難題，解決了使用雙螺桿作為溶解擠 出裝置時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)問題，同時(shí)也解決了以往僅用一個(gè)雙螺桿所產(chǎn)生的顧此失彼，難以兼 顧，的問題，大幅度提高產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，提升產(chǎn)品品質(zhì)的目的。本發(fā)明以下列實(shí)施例予以說明，但本發(fā)明的專利權(quán)項(xiàng)不受實(shí)例條件的局限。實(shí)施例將重均分子量為3 5X IO5的超高分子量聚乙烯80kg，抗氧劑1. 3kg，白油(沸 點(diǎn)為185-300°C )920kg配制成8%濃度的溶液投入備有攪拌的1000L反應(yīng)釜內(nèi)，將此溶液 加熱，制得超高分子量聚乙烯的懸浮液。通過加熱和攪拌，對(duì)此溶液進(jìn)行溶脹處理。在攪 拌狀態(tài)下，通過流量閥連續(xù)均勻地將所得淤漿輸入到本梳狀解纏紡絲裝置中進(jìn)行溶解和解 纏，然后通過熔體泵打入隨后的雙螺桿擠出裝置，經(jīng)紡絲組件等完成紡絲的連續(xù)過程，具體 如下1、雙螺桿擠出機(jī)直徑與長徑比Φ2Χ 108mm、L/D = 48，2、雙螺桿擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速9O-25Or. p. m.，3、淤漿在雙螺桿擠出機(jī)中停留時(shí)間2 10分鐘，4、雙螺桿擠出機(jī)的形式同向平行雙螺桿擠出機(jī)，5、雙螺桿擠出機(jī)的螺紋元件形式輸送、混煉、捏和、計(jì)量等螺紋元件，6、梳狀解纏擠出裝置的直徑與長徑比為Φ 150mm、L/D = 7 15。7、梳妝解纏擠出裝置的轉(zhuǎn)速為60 90r. p. m.，8、梳妝解纏擠出裝置的筒體溫度喂入段135°C，中間段155°C，輸出段185°C。9、預(yù)溶解的淤漿在梳狀解纏擠出裝置的時(shí)間約為1 10分鐘以上述條件的配合可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)可得到均勻透明、無氣泡的超高分子量聚乙烯 絲條500 800公斤，產(chǎn)量約為僅使用雙螺桿的一倍。將上述凍膠絲進(jìn)行連續(xù)萃取，干燥和超倍拉伸，可制得強(qiáng)度為33g/d的高強(qiáng)、高模 聚乙烯纖維。
權(quán)利要求
帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯溶解與紡絲裝置，包括溶脹釜、過渡罐、雙螺桿擠出機(jī)、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒裝置，其特征在于在雙螺桿擠出機(jī)和噴絲板之間連接有一梳狀解纏裝置，雙螺桿擠出機(jī)的輸出口接梳狀解纏裝置的輸入口，梳狀解纏裝置的輸出口接噴絲板的輸入口。
2.按權(quán)利要求1所述的帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯溶解與紡絲裝置，其特征 在于梳狀解纏裝置由可以調(diào)整速度動(dòng)力組件、機(jī)筒及螺桿組成，在機(jī)筒上有可以分區(qū)控制 溫度的加熱圈。
3.按權(quán)利要求1所述的帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯連續(xù)溶解與紡絲裝置，其 特征在于在螺桿的桿體上和螺頂間密布有螺旋狀錐針形結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求1所述的帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯連續(xù)溶解與紡絲裝置，其 特征在于梳狀解纏裝置的機(jī)筒尾部有排氣孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯溶解與紡絲裝置，包括溶脹釜、過渡罐、雙螺桿擠出機(jī)、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒裝置，其特征在于在雙螺桿擠出機(jī)和噴絲板之間連接有一梳狀解纏裝置，雙螺桿擠出機(jī)的輸出口接梳狀解纏裝置的輸入口，梳狀解纏裝置的輸出口接噴絲板的輸入口。梳狀解纏裝置由可以調(diào)整速度動(dòng)力組件、機(jī)筒及螺桿組成，在機(jī)筒上有可以分區(qū)控制溫度的加熱圈。在螺桿的桿體上和螺頂間密布有螺旋狀錐針形結(jié)構(gòu)。梳狀解纏裝置的機(jī)筒尾部有排氣孔。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過梳狀解纏擠出裝置進(jìn)行快速的溶解解纏，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(shí)現(xiàn)連續(xù)制備均勻的紡絲溶液過程。
文檔編號(hào)D01D1/02GK101812732SQ200910046370
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者劉華軒, 劉桂敏, 王惠芬, 陳新 申請(qǐng)人:上海博迪紡織新材料有限公司;常州市恒力機(jī)械有限公司