專利名稱：高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的制備方法
高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的制備方法技術(shù)鄰域本發(fā)明涉及高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
目前全球高強(qiáng)高模聚乙烯纖維制備工藝主要有二種。一種是以低揮發(fā)性的烷烴類作為溶劑(第一溶劑)，如CN1056M4A公開(kāi)的以煤油作為溶劑、CN1268588A公開(kāi)的以乳化混合油作為溶劑、CN101525778A公開(kāi)的以石蠟油作為溶劑、CN102041557A公開(kāi)的以白油作為溶劑，制得超高分子量聚乙烯溶液，經(jīng)凍膠紡絲制得凍膠絲，再經(jīng)較高揮發(fā)性的溶劑(第二溶劑例二甲苯、汽油等)進(jìn)行萃取、干澡制得固態(tài)細(xì)絲，再經(jīng)超倍熱拉伸制得高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。第二種是以高揮發(fā)性溶劑制備高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，如CN101903573A公開(kāi)的十氫化萘或四氫化萘作為溶劑，美國(guó)Honeywell公司在W02006/073743中也提出以十氫化萘或二氯苯作為溶劑，CN101148783A公開(kāi)的以二甲苯作為溶劑，制得超高分子量聚乙烯溶液， 再經(jīng)凍膠紡絲、超倍熱拉伸等后處理工藝制得高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。

發(fā)明內(nèi)容
以低揮發(fā)性的烷烴類作為溶劑(第一溶劑)，制備高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。因高沸點(diǎn)烷烴類溶劑餾程高，在拉伸干澡過(guò)程中難以去除，必須以較低沸點(diǎn)的第二溶劑作萃取劑萃取第一溶劑，也就必須增加萃取工藝，同時(shí)產(chǎn)生了大量的第一溶劑和第二溶劑的混合物，又增加了分餾工藝，以便分餾第一、第二溶劑回收再用。由于需增加萃取工藝、干燥工藝及分餾工藝，因而生產(chǎn)成本高；且所制得纖維單絲纖度較高(3. 5g/dtex以上)；再使用石蠟油、 白油、煤油、乳化混合油作溶劑，溶解溫度高以上)超高分子量聚乙烯熱降解率相比 (十氫化萘作溶劑)較高，及低揮發(fā)性第一溶劑很難完全萃取干凈，殘留成份使所得纖維的耐蠕變性能較差，對(duì)最終制得高強(qiáng)高模聚乙烯纖維性能有較大影響。以高揮發(fā)性溶劑制備高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。十氫化萘或四氫化萘揮發(fā)性好可以不經(jīng)萃取而直接拉伸；作為非線形碳?xì)淙軇?，溶解性好可在較低溫度下溶解超高分子量聚乙烯，制取性能優(yōu)良的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。但十氫化萘或四氫化萘目前在全球只有少數(shù)幾家公司生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)又沒(méi)有公司生產(chǎn)，溶劑成本太高，不易大量采購(gòu)。而二甲苯的沸點(diǎn)較低常壓137 140°C，溶解溫度低于137°C對(duì)于重均分子量高于350萬(wàn)的超高分子量聚乙烯難以制得較高溶度、溶解均勻的溶液；又紡絲溫度(溶解溫度)高于137°C在噴絲口液體細(xì)絲易發(fā)生液沸，難以制得高品質(zhì)纖維。而二氯苯毒性較大，而且對(duì)水體和大氣可造成污染，對(duì)生物體可發(fā)生生物蓄積。本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供的一種產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高的制備高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的方法。其特征是二乙苯作為溶劑，制備超高分子量聚乙烯溶液，超高分子量聚乙烯重均分子量介于150 800萬(wàn)，超高分子量聚乙烯溶液濃度介于1 50wt%。經(jīng)凍膠紡絲步驟、超倍熱拉伸步驟等后處理工序制得高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。二乙苯是間二乙苯、鄰二乙苯、對(duì)二乙苯的混合物。二乙苯沸點(diǎn)低184°C，揮發(fā)性好，溶劑殘留率低；二乙苯是非線形分子的碳?xì)淙軇?，溶解性好；適合的溶解溫度160 175°C，超高分子量聚乙烯熱降解率較低，可不經(jīng)萃取直接制得高品質(zhì)高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。二乙苯是生產(chǎn)乙苯的副產(chǎn)品，溶劑成本低易得。具體步驟是步驟1.制備超高分子量聚乙烯溶液；將溶劑二乙苯、超高分子量聚乙烯、抗氧劑、 增塑劑按一定的質(zhì)量份混合后溶脹溶解。上述步驟1.具體包括將二乙苯、超高分子量聚乙烯、助劑加入攪拌釜，抽真空后沖入惰性氣體，攪拌升溫至70 130°C進(jìn)行溶脹，制得漿料。經(jīng)齒輪泵定量送入螺桿擠出機(jī)進(jìn)行溶解，溶解溫度120 260°C，制得超高分子量聚乙烯溶液。上述步驟1.所述溶劑二乙苯為間二乙苯、鄰二乙苯、對(duì)二乙苯的混合物；溶劑包括間二乙苯、鄰二乙苯、對(duì)二乙苯其中一種或兩種的混合物；也包括使用間二乙苯、鄰二乙苯、對(duì)二乙苯其中一種、兩種或二乙苯與其它超高分子量聚乙烯已知溶劑的混合物，其它已知溶劑例如十氫化萘、四氫化萘、二甲苯、二氯苯、白油、煤油、石蠟油。最優(yōu)選的實(shí)施方式中，所選擇的溶劑是二乙苯，也就是間二乙苯、鄰二乙苯和對(duì)二乙苯的混合物。制備的超高分子量聚乙烯溶液。上述步驟1.所述超高分子量聚乙烯為重均分子量介于150萬(wàn) 800萬(wàn)，最優(yōu)選擇重均分子量介于300萬(wàn) 500萬(wàn)。超高分子量聚乙烯為線型聚乙烯分子，可以優(yōu)選每2000 個(gè)碳原子含側(cè)基和端基之和至多3個(gè)，甚至更少。且其重均分子量和數(shù)均分子量的比(Mw/ Mn)，可以優(yōu)選在5的超高分子量聚乙烯，甚至更低。上述步驟1.所述超高分子量聚乙烯溶液，超高分子量聚乙烯占溶液質(zhì)量比1 50 %，為了改善加工性能，聚乙烯的摩爾質(zhì)量越高，優(yōu)選較低濃度。對(duì)于粘均分子量介于300 萬(wàn) 500萬(wàn)，濃度優(yōu)選4 15wt%。上述步驟1.所述抗氧劑占溶液質(zhì)量比0. 001 3 %，增塑劑占溶液質(zhì)量比0 1 %?？寡鮿┖驮鏊軇┛梢允褂靡阎夹g(shù)的材料，例抗氧劑1010、抗氧劑168等，增塑劑硬酯
酸鋁等。上述步驟1.所述溶解溫度為了改善加工性能及高強(qiáng)高模聚乙烯纖維性能，最優(yōu)選溶解溫度巧5 175°C，聚乙烯的摩爾質(zhì)量越高，優(yōu)選較高溫度。步驟2.凍膠紡絲步驟將制備超高分子量聚乙烯溶液(紡絲溶液)在一定的紡絲溫度下經(jīng)多個(gè)噴絲孔的噴絲板、空氣隙，然后經(jīng)冷卻區(qū)域驟冷，通過(guò)驅(qū)動(dòng)輥制得凍膠絲。上述步驟2.具體的對(duì)于噴絲孔、空氣隙中的液體細(xì)絲給予一定拉伸比(TRl)進(jìn)行拉伸，液體細(xì)絲拉伸比(TRl)至少1. 1。為了制備凍膠絲，可以使用適用于凍膠紡絲的已知液體細(xì)絲拉伸工藝的任意一種，例如TRl大于50、TRl大于100、TRl大于200等。上述步驟2.所述噴絲孔出口面積介于0. 3 13平方毫米。上述步驟2.所述紡絲溫度介于110 200°C，優(yōu)先選擇紡絲溫度低于溶劑的沸點(diǎn)， 高于超高分子量聚乙烯原料的熔點(diǎn)，防絲溫度優(yōu)先選擇介于140 180°C。上述步驟2.所述空氣隙是噴絲板至冷卻區(qū)域部份，空氣隙長(zhǎng)度介于0. 1 40cm， 優(yōu)選2 5cm，空氣隙的氣體是氮?dú)?、二氧化碳等惰性氣體，空氣隙溫度介于25 180°C，優(yōu)選 130 170 。
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上述步驟2.所述冷卻區(qū)域可以是氣體或液體，進(jìn)行氣體驟冷或液體浴驟冷，優(yōu)選氣體冷卻，氣體冷卻優(yōu)選和空氣隙相同的氣體，冷卻溫度高于溶劑的熔點(diǎn)，優(yōu)選冷卻溫度介于3 20°C。步驟3.超倍熱拉伸步驟將制備的凍膠絲引入一定溫度的拉伸箱中，并在拉伸中對(duì)細(xì)絲給予一定拉伸比(TRs)拉伸細(xì)絲，制得高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。對(duì)于凍膠絲中溶劑的去除可以在拉伸之前、期間或之后，通過(guò)蒸發(fā)的方式去除，然后回收再利用。經(jīng)步驟2.所述制備的凍膠絲可直接引入拉伸箱，或放置一段時(shí)間后再引入拉伸箱。上述步驟3.所述一定溫度的拉伸箱，跟據(jù)控制溫度不同設(shè)置成多級(jí)拉伸箱，控制溫度介于60 160°C，后一級(jí)控制溫度比前一級(jí)控制溫度高。上述步驟3.所述每級(jí)拉伸中對(duì)細(xì)絲給予一定拉伸比拉伸細(xì)絲，每一級(jí)的拉伸比至少1，多級(jí)拉伸箱總的拉伸比(TRs = TRsl*TRs2*TRs3…)至少4，TRsl、TRs2、TRs3是對(duì)應(yīng)級(jí)數(shù)拉伸箱的拉伸比。上述步驟3.所述高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，強(qiáng)度在20g/d以上，模量在500g/d以上， 單絲纖度在0. 5g/dtex以上的纖維。具體實(shí)施方法以下由實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但其權(quán)力要求不受所描述的數(shù)據(jù)、實(shí)例所限制。實(shí)例1 將920克二乙苯和80克重均分子量為350萬(wàn)的超高分子量聚乙烯、抗氧劑、增塑劑先后置于攪拌釜，沖入惰性氣體，然后攪拌、加熱，升溫至95°C溶脹2小時(shí)，然后送入雙螺桿擠出機(jī)，螺桿溶解溫度為160°C，經(jīng)脫泡形成濃度為8wt%的紡絲溶液；再?gòu)膰娋€孔(噴絲孔出口面積1. 6mm2)以出口速度2m/min速率擠入空氣隙(空氣隙溫度140°C、長(zhǎng)度50mm)， 再經(jīng)冷卻區(qū)域(冷卻溫度10°C)和驅(qū)動(dòng)輥制得凍膠絲，液體細(xì)絲拉伸比TRl = 16 ；再將凍膠絲直接引入一級(jí)拉伸箱(溫度80°C、拉伸比TRsl = 1.8)再通過(guò)二級(jí)拉伸箱(溫度125°C、 拉伸比TRs2 = 7)和三級(jí)拉伸箱(溫度135°C拉伸比TR3 = 3)，制得強(qiáng)度為30g/d、模量為 1000g/d的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。實(shí)例2 其它和實(shí)例1相同，所不同的是噴絲孔面積0. 785mm2，制得強(qiáng)度為35g/d、模量為 1300g/d的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。實(shí)例3 將940克二乙苯和60克重均分子量為500萬(wàn)的超高分子量聚乙烯、抗氧劑、增塑劑先后置于攪拌釜，沖入惰性氣體，然后攪拌、加熱，升溫至100°c溶脹3小時(shí)，然后送入雙螺桿擠出機(jī)，螺桿溶解溫度為175°C，經(jīng)脫泡形成濃度為6wt%的紡絲溶液；再?gòu)膰娋€孔(噴絲孔出口面積0. 785mm2)以出口速度0. 7m/min速率擠入空氣隙(空氣隙溫度150°C、長(zhǎng)度 50mm)，再經(jīng)冷卻區(qū)域(冷卻溫度20°C )和驅(qū)動(dòng)輥制得凍膠絲，液體細(xì)絲拉伸比TRl = 21 ； 再將凍膠絲直接引入一級(jí)拉伸箱(溫度85°C、拉伸比TRl = 1.3)再通過(guò)二級(jí)拉伸箱(溫度125°C、拉伸比TR2 = 5)、三級(jí)拉伸箱(溫度130°C拉伸比TR3 = 3)和四級(jí)拉伸箱(溫度 135°C拉伸比TRs4 = 1. 5)，制得強(qiáng)度為40g/d、模量為1400g/d的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。實(shí)例4 其它和實(shí)例1相同，所不同的是噴絲孔面積0. 785mm2、出口速度1. 5m/min、空氣隙溫度155°C、TRl = 48、一級(jí)拉伸箱(溫度80°C、拉伸比TRsl = 1. 1)、二級(jí)拉伸箱(溫度 135°C、拉伸比TRs2 = 6)、三級(jí)拉伸箱(溫度140°C拉伸比TR3 = 5)，制得強(qiáng)度為38g/d、模量為1500g/d、纖度1. 2g/d的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。實(shí)例5 其它和實(shí)例3相同，所不同的是出口速度lm/min、空氣隙溫度160°C、TRl = 100、 一級(jí)拉伸箱(溫度85°C、拉伸比TRsl = 1. 1)、二級(jí)拉伸箱(溫度135°C、拉伸比TRs2 = 6)、 三級(jí)拉伸箱(溫度145°C拉伸比TR3 = 5)，制得強(qiáng)度為35g/d、模量為1300g/d、纖度0. 5g/ d的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的方法，所述方法包括步驟a.在溶劑中制得超高分子量聚乙烯溶液b.凍膠紡絲步驟c.超倍熱拉伸步驟所述方法的特征是二乙苯作為溶劑，將重均分子量介于150 800萬(wàn)的超高分子量聚乙烯制得濃度介于1 50wt%溶液，經(jīng)凍膠紡絲步驟、超倍熱拉伸步驟后處理工序制得高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。
2.溶劑是間二乙苯、鄰二乙苯、對(duì)二乙苯的混合物二乙苯。
3.溶劑是間二乙苯、鄰二乙苯、對(duì)二乙苯其中一種或兩種的混合物。
4.溶劑是間二乙苯、鄰二乙苯、對(duì)二乙苯其中一種、兩種或二乙苯和其它溶劑的混合物。
5.權(quán)力要求4其它溶劑是十氫化萘、四氫化萘、二氯苯、二甲苯、白油、煤油、石蠟油。
6.一種高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，其斷裂強(qiáng)度>20g/d。
7.一種高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，其彈性模量> 500g/d。
8.一種高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，其纖維單絲纖度> 0. 5g/d。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的制備方法。其特征在于以二乙苯作為溶劑，將分子量介于150萬(wàn)～800萬(wàn)的超高分子量聚乙烯制成紡絲溶液，超高分子量聚乙烯溶液濃度介于1～50wt％，然后經(jīng)凍膠紡絲步驟、超倍熱拉伸步驟等后處理工序制得斷裂強(qiáng)度≥20g/d，彈性模量≥500g/d，纖維單絲纖度≥0.5g/d的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。本發(fā)明有效縮短工藝流程，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)D01D5/12GK102358956SQ201110205610
公開(kāi)日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者金云良 申請(qǐng)人:金云良