CN101230499B - 一种有颜色的高强聚乙烯纤维及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有颜色的高强聚乙烯纤维及其制造方法，该有颜色的高强聚乙烯纤维，其特征在于在超高分子量聚乙烯内混入无机颜料添加剂，无机颜料添加剂的添加比例为超高分子量聚乙烯重量的0.5-3％，其强度为15-30g/d。其制造方法由以下步骤完成：(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液；(2)制备冻胶丝；(3)对冻胶丝进行萃取；(4)纺丝干燥；(5)后牵伸及卷绕制成有颜色的高强聚乙烯纤维。该种有颜色的高强聚乙烯纤维及其制造方法，与目前生产的超高分子量聚乙烯纤维相比，既具有所需要的颜色，而且制造流程简单、生产效率高、成本低，生产出的纤维性能优良，并且降低了使用成本，可广泛用于绳索、渔网、复合材料等领域。

Description

一种有颜色的高强聚乙烯纤维及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强度聚乙烯纤维及其制造方法，特别是一种有颜色的高强聚乙烯纤维及其制造方法，适用于绳索、渔网、复合材料等民用领域。

背景技术

高强聚乙烯纤维，是采用分子量在100万以上的超高分子量聚乙烯生产制造的具有高强度和模量的合成纤维材料，高强聚乙烯纤维、芳纶、碳纤维在国际上称为三大高性能纤维材料，其中超高分子量聚乙烯纤维因具有高强度、高模量、低密度的特点，所以在现代化战争与防御装备、宇航与航空方面发挥了极其重要的作用，在民用领域也得到了越来越广泛的应用。

目前，高强聚乙烯纤维多采用凝胶纺丝-超倍热牵伸工艺生产，由于超高分子量聚乙烯具有很长的聚乙烯大分子柔性链，极易造成链缠结，将其溶解于一定溶剂中，通过溶剂的稀释作用拉开大分子之间的距离，原液挤出成纤维后得到具有适度大分子缠结点的冻胶原丝，经超倍热拉伸和分子取向得到具有伸直链结构的高强聚乙烯纤维。其主要工序包括：1、用溶剂溶解超高分子量聚乙烯，制成纺丝溶液；2、溶液经喷丝孔挤出后再用空气或水骤冷固化，得到具有适度大分子缠结点的含溶剂湿态原丝；3、采用萃取剂将湿态原丝中所含的溶剂脱去；4、对萃取后丝束在干燥箱内进行干燥；5、进行超倍热牵伸，得到具有伸直链结晶结构的高强聚乙烯纤维。

日本专利特开平7-238416公开了一种在干法纺丝过程中积极挥发溶剂以制备高性能聚乙烯纤维的方法，具体工艺为：5-50％的超高分子量聚乙烯和95-50％的挥发性溶剂溶解，加热挤出后，经过一纺丝筒，利用纺丝筒内通入热气流的方法使40％以上的溶剂挥发，剩余溶剂在热牵伸的过程中去除，该日本专利通过在纺丝过程中积极去除部分溶剂形成半干态原丝，解决了纺丝粘连的问题，但由于溶剂在纺丝和热牵伸过程中均有挥发，因此该专利需要在纺丝段和牵伸设备上分别进行防火防爆处理和溶剂回收，这样就增加了设备投资和溶剂回收的难度，不利于大规模的工业化生产。

目前的生产工艺皆追求纤维的高强度，所生产出的高强聚乙烯纤维的拉伸强度大都在30g/d以上，呈白色，由于其生产过程的复杂性，其价格也较高，因此一般用在军用领域，而民用的大多领域一般只需强度为15-30g/d的纤维即可满足要求，若使用30g/d以上的高强聚乙烯纤维，则会造成纤维性能上的浪费，也形成了资源的浪费，从而大大提高了其使用成本，在民用领域难以承受；同时，在绳网等应用领域，对纤维有一定的颜色要求，但由于超高分子量聚乙烯的大分子链中，除C-H键外不存在其它的官能团，一般的染料分子无法与之结合进行染色，因此一般的纤维染色方法对聚乙烯纤维都不适用。目前尚未见带有颜色的、强度为15-30g/d高强聚乙烯纤维及其生产方法的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有颜色、强度为15-30g/d、模量为400-1000g/d、能广泛用于民用领域的有颜色的高强聚乙烯纤维。

本发明的另一个目的在于提供一种制造上述有颜色的高强聚乙烯纤维的方法。

为达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：该有颜色的高强聚乙烯纤维，由数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯构成，并以白矿油为溶剂，超高分子量聚乙烯与白矿油的重量比为1∶7-9，其特征在于在数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯内混入无机颜料添加剂，无机颜料添加剂的添加比例为超高分子量聚乙烯重量的1.0-3.0％，生产出15-30g/d的高强聚乙烯纤维。本发明还通过如下措施实施：所述的无机颜料添加剂为群青、酞菁蓝、氧化铬绿、铅铬绿、氧化铁、炭黑中的一种，或其同类组合(如：氧化铬绿和铅铬绿的组合、群青和酞青蓝的组合)，无机颜料添加剂的粒径小于1μm，因加入不同的无机颜料添加剂，从而使生产出的高强聚乙烯纤维具有蓝色、绿色、红色、黑色，且染色牢度高，其强度为15-30g/d，模量为400-1000g/d，单丝纤度为4-15d，断裂伸长率小于3.5％。

如上所述的有颜色的高强聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于它由以下步骤完成：

(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液：

选用数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯，并以白色矿物油作为溶剂，超高分子量聚乙烯与白色矿物油的重量比为1∶7-9，并根据颜色的要求添加无机颜料添加剂，添加量为超高分子量聚乙烯重量的1.0-3.0％，加热搅拌使超高分子量聚乙烯和添加的无机颜料添加剂在白色矿物油溶剂中充分均匀的混合，然后进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀、溶解，温度控制在100-300℃，即制得纺丝原液；所述的无机颜料添加剂为群青、酞菁蓝、氧化铬绿、铅铬绿、氧化铁、炭黑中的一种，或其同类组合，为保证混合的均匀，所用无机颜料添加剂的粒径小于1μm；

(2)制备冻胶丝：

将纺丝原液从喷丝板挤出得到液态细丝，喷丝板的孔径为0.5-1.6mm，液态细丝经一段气隙进入水温为15-25℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝，气隙牵伸倍数为4-8倍；

(3)对冻胶丝进行萃取：

冻胶丝经导丝辊进入萃取槽内进行萃取，所述萃取槽内的萃取剂为二甲苯，冻胶丝内的白色矿物油被萃取剂萃取出来后，萃取剂和白色矿物油再经分离工序回收，以循环利用；

(4)纺丝干燥：

萃取后的纤维进入干燥箱，经45-55℃的热空气吹干，纤维中所含的萃取剂经活性炭纤维吸附回收装置回收；

(5)后牵伸及卷绕制成有颜色的高强聚乙烯纤维：

由干燥箱牵出的干态纤维，进行1-3次的后牵伸，每次后牵伸的倍数在1-6倍之间，后牵伸所需的设备包括七辊牵伸机和热烘箱，牵伸后的纤维，经卷绕制成有颜色的高强聚乙烯纤维，生产出15-30g/d的高强聚乙烯纤维。

本发明在制作白色的高强聚乙烯纤维时，只要不加入无机颜料添加剂即可。

通过该方法生产的有颜色的高强聚乙烯纤维，在厂内经检测，其强度为15-30g/d、模量为400-1000g/d、单丝纤度为4-12d、断裂伸长率小于3.5％、色泽鲜亮均匀，合格率高于95％。

本发明的有益效果在于：与目前生产的超高分子量聚乙烯纤维相比，既具有所需要的颜色，而且制造流程简单、生产效率高、成本低，生产出的纤维性能优良，并且降低了使用成本，可广泛用于绳索、渔网、复合材料等领域。

具体实施方式

实施例1：

制备蓝色的高强聚乙烯纤维，其生产步骤为：

(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液：

选用数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯，并以白色矿物油作为溶剂，超高分子量聚乙烯与白色矿物油的重量比为1∶9，以酞菁蓝作为无机颜料添加剂，其添加量为超高分子量聚乙烯重量的1.0％，加热搅拌使超高分子量聚乙烯和酞菁蓝在白色矿物油溶剂中充分均匀的混合，然后进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀、溶解，温度控制在100-300℃，制得纺丝原液；

(2)制备冻胶丝：

将纺丝原液从喷丝板挤出得到液态细丝，喷丝板的孔径为1.0mm，液态细丝进入水温为20℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝，气隙牵伸倍数为8；

(3)对冻胶丝进行萃取：

冻胶丝经导丝辊进入萃取槽内进行萃取，所述萃取槽内的萃取剂为二甲苯，冻胶丝内的白色矿物油被萃取剂萃取出来后，萃取剂和白色矿物油再经分离工序回收，以循环利用；

(4)纺丝干燥：

萃取后的纺丝进入干燥箱，经干燥温度为50℃的热空气吹干，纤维中所含的萃取剂经活性炭纤维吸附回收装置回收；

(5)后牵伸及卷绕制成为蓝色的高强聚乙烯纤维：

由干燥箱牵出的干态纤维，进行3次的后牵伸，三次牵伸的倍数分别为2倍、2倍和1.5倍，后牵伸所需的设备包括七辊牵伸机和热烘箱，牵伸后的纤维，经卷绕制成蓝色的高强聚乙烯纤维。

经厂内检测，该蓝色的高强聚乙烯纤维的强度为30g/d，模量为970g/d，单丝纤度为4.5d，断裂伸长率为2.5％，合格率为98％。

实施例2：

制备绿色的高强聚乙烯纤维，其生产步骤为：

(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液：

选用数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯，并以白色矿物油作为溶剂，超高分子量聚乙烯与白色矿物油的重量比为1∶7，以氧化铬绿为无机颜料添加剂，其添加量为超高分子量聚乙烯重量的3.0％，加热搅拌使超高分子量聚乙烯和氧化铬绿在白色矿物油溶剂中充分均匀的混合，然后进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀、溶解，温度控制在100-300℃，制得纺丝原液；

(2)制备冻胶丝：

将纺丝原液从喷丝板挤出得到液态细丝，喷丝板的孔径为1.6mm，液态细丝进入水温为24℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝，气隙牵伸倍数为7；

(3)对冻胶丝进行萃取：

冻胶丝经导丝辊进入萃取槽内进行萃取，所述萃取槽内的萃取剂为二甲苯，冻胶丝内的白色矿物油被萃取剂萃取出来后，萃取剂和白色矿物油再经分离工序回收，以循环利用；

(4)纺丝干燥：

萃取后的纺丝进入干燥箱，经干燥温度为54℃的热空气吹干，纤维中所含的萃取剂经活性炭纤维吸附回收装置回收；

(5)后牵伸及卷绕制成为绿色的高强聚乙烯纤维：

由干燥箱牵出的干态纤维，进行2次的后牵伸，两次后牵伸的倍数分别为3倍和1.5倍，后牵伸所需的设备包括七辊牵伸机和热烘箱，牵伸后的纤维，经卷绕制成绿色的高强聚乙烯纤维。

经厂内检测，该绿色的高强聚乙烯纤维的强度为15g/d，模量为410g/d，单丝纤度为12d，断裂伸长率为3.5％，合格率为99％。

实施例3：

制备红色的高强聚乙烯纤维，其生产步骤为：

(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液：

选用数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯，并以白色矿物油作为溶剂，超高分子量聚乙烯与白色矿物油的重量比为1∶8，以氧化铁为无机颜料添加剂，其添加量为超高分子量聚乙烯重量的2.0％，加热搅拌使超高分子量聚乙烯和氧化铁在白色矿物油溶剂中充分均匀的混合，然后进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀、溶解，温度控制在100-300℃，制得纺丝原液；

(2)制备冻胶丝：

将纺丝原液从喷丝板挤出得到液态细丝，喷丝板的孔径为0.5mm，液态细丝进入水温为18-20℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝，气隙牵伸倍数为5；

(3)对冻胶丝进行萃取：

冻胶丝经导丝辊进入萃取槽内进行萃取，所述萃取槽内的萃取剂为二甲苯，冻胶丝内的白色矿物油被萃取剂萃取出来后，萃取剂和白色矿物油再经分离工序回收，以循环利用；

(4)纺丝干燥：

萃取后的纺丝进入干燥箱，经干燥温度为50-52℃的热空气吹干，纤维中所含的萃取剂经活性炭纤维吸附回收装置回收；

(5)后牵伸及卷绕制成为红色的高强聚乙烯纤维：

由干燥箱牵出的干态纤维，进行3次的后牵伸，三次牵伸的倍数分别为2倍、2倍和1.5倍，后牵伸所需的设备包括七辊牵伸机和热烘箱，牵伸后的纤维，经卷绕制成红色的高强聚乙烯纤维。

经厂内检测，该红色的高强聚乙烯纤维的强度为25g/d，模量为760g/d，单丝纤度为4d，断裂伸长率为2.7％，合格率为99％。

实施例4：

制备黑色的高强聚乙烯纤维，其生产步骤为：

(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液：

选用数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯，并以白色矿物油作为溶剂，超高分子量聚乙烯与白色矿物油的重量比为1∶9，以碳黑为无机颜料添加剂，其添加量为超高分子量聚乙烯重量的2.0％，加热搅拌使超高分子量聚乙烯和碳黑在白色矿物油溶剂中充分均匀的混合，然后进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀、溶解，温度控制在100-300℃，制得纺丝原液；

(2)制备冻胶丝：

将纺丝原液从喷丝板挤出得到液态细丝，喷丝板的孔径为1.0mm，液态细丝进入水温为20℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝，气隙牵伸倍数为8；

(3)对冻胶丝进行萃取：

冻胶丝经导丝辊进入萃取槽内进行萃取，所述萃取槽内的萃取剂为二甲苯，冻胶丝内的白色矿物油被萃取剂萃取出来后，萃取剂和白色矿物油再经分离工序回收，以循环利用；

(4)纺丝干燥：

萃取后的纺丝进入干燥箱，经干燥温度为50℃的热空气吹干，纤维中所含的萃取剂经活性炭纤维吸附回收装置回收；

(5)后牵伸及卷绕制成为黑色的高强聚乙烯纤维：

由干燥箱牵出的干态纤维，进行3次的后牵伸，三次牵伸的倍数分别为3倍、3倍和1.5倍，后牵伸所需的设备包括七辊牵伸机和热烘箱，牵伸后的纤维，经卷绕制成黑色的高强聚乙烯纤维。

经厂内检测，该黑色的高强聚乙烯纤维的强度为30g/d，模量为970g/d，单丝纤度为4.5d，断裂伸长率为2.5％，合格率为98％。

实施例5：

制备蓝色的高强聚乙烯纤维，其生产步骤为：

(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液：

选用数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯，并以白色矿物油作为溶剂，超高分子量聚乙烯与白色矿物油的重量比为1∶8，以群青和酞菁蓝为无机颜料添加剂，其添加量为超高分子量聚乙烯重量的2.0％，加热搅拌使超高分子量聚乙烯和群青、酞菁蓝在白色矿物油溶剂中充分均匀的混合，然后进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀、溶解，温度控制在100-300℃，制得纺丝原液；

(2)制备冻胶丝：

将纺丝原液从喷丝板挤出得到液态细丝，喷丝板的孔径为0.5mm，液态细丝进入水温为20-24℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝，气隙牵伸倍数为6；

(3)对冻胶丝进行萃取：

冻胶丝经导丝辊进入萃取槽内进行萃取，所述萃取槽内的萃取剂为二甲苯，冻胶丝内的白色矿物油被萃取剂萃取出来后，萃取剂和白色矿物油再经分离工序回收，以循环利用；

(4)纺丝干燥：

萃取后的纺丝进入干燥箱，经干燥温度为46-50℃的热空气吹干，纤维中所含的萃取剂经活性炭纤维吸附回收装置回收；

(5)后牵伸及卷绕制成为蓝色的高强聚乙烯纤维：

由干燥箱牵出的干态纤维，进行3次的后牵伸，三次牵伸的倍数分别为2.5倍、2.5倍和1.5倍，后牵伸所需的设备包括七辊牵伸机和热烘箱，牵伸后的纤维，经卷绕制成蓝色的高强聚乙烯纤维。

经厂内检测，该蓝色的高强聚乙烯纤维的强度为24g/d，模量为740g/d，单丝纤度为4d，断裂伸长率为2.7％，合格率为99％。

实施例6：

制备绿色的高强聚乙烯纤维，其生产步骤为：

(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液：

选用数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯，并以白色矿物油作为溶剂，超高分子量聚乙烯与白色矿物油的重量比为1∶9，以氧化铬绿、铅铬绿为无机颜料添加剂，其添加量为超高分子量聚乙烯重量的2％，加热搅拌使超高分子量聚乙烯和氧化铬绿、铅铬绿在白色矿物油溶剂中充分均匀的混合，然后进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀、溶解，温度控制在100-300℃，制得纺丝原液；

(2)制备冻胶丝：

将纺丝原液从喷丝板挤出得到液态细丝，喷丝板的孔径为1.0mm，液态细丝进入水温为20-22℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝，气隙牵伸倍数为6。

(3)对冻胶丝进行萃取：

冻胶丝经导丝辊进入萃取槽内进行萃取，所述萃取槽内的萃取剂为二甲苯，冻胶丝内的白色矿物油被萃取剂萃取出来后，萃取剂和白色矿物油再经分离工序回收，以循环利用；

(4)纺丝干燥：

萃取后的纺丝进入干燥箱，经干燥温度为48-50℃的热空气吹干，纤维中所含的萃取剂经活性炭纤维吸附回收装置回收；

(5)后牵伸及卷绕制成有绿色的高强聚乙烯纤维：

由干燥箱牵出的干态纤维，进行2次的后牵伸，两次牵伸的倍数分别为3倍和1.5倍，后牵伸所需的设备包括七辊牵伸机和热烘箱，牵伸后的纤维，经卷绕制成绿色的高强聚乙烯纤维。

经厂内检测，该绿色的高强聚乙烯纤维的强度为21g/d，模量为580g/d，单丝纤度为10d，断裂伸长率为2.5％，合格率为97％。

Claims (4)

1.一种有颜色的高强聚乙烯纤维，由数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯构成，并以白矿油为溶剂，超高分子量聚乙烯与白矿油的重量比为1∶7-9，其特征在于在数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯内混入无机颜料添加剂，无机颜料添加剂的添加比例为超高分子量聚乙烯重量的1.0-3.0％，生产出15-30g/d的高强聚乙烯纤维。

2.根据权利要求1所述的一种有颜色的高强聚乙烯纤维，其特征在于所述的无机颜料添加剂为群青、酞菁蓝、氧化铬绿、铅铬绿、氧化铁、炭黑中的一种，或其同类组合，无机颜料添加剂的粒径小于1μm。

3.根据权利要求1或2所述的高强聚乙烯纤维，其特征在于强度为15-30g/d，模量为400-1000g/d，单丝纤度为4-15d，断裂伸长率小于3.5％。

4.一种制备如权利要求1所述的有颜色的高强聚乙烯纤维的方法，其特征在于它由以下步骤完成：

(1)原料的溶胀、溶解，制成纺丝原液：

选用数均分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯，并以白色矿物油作为溶剂，超高分子量聚乙烯与白色矿物油的重量比为1∶7-9，并根据颜色的要求添加无机颜料添加剂，添加量为超高分子量聚乙烯重量的1.0-3.0％，加热搅拌使超高分子量聚乙烯和添加的无机颜料添加剂在白色矿物油溶剂中充分均匀的混合，然后进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀、溶解，温度控制在100-300℃，即制得纺丝原液；所述的无机颜料添加剂为群青、酞菁蓝、氧化铬绿、铅铬绿、氧化铁、炭黑中的一种，或其同类组合，无机颜料添加剂的粒径小于1μm；

(2)制备冻胶丝：

将纺丝原液从喷丝板挤出得到液态细丝，喷丝板的孔径为0.5-1.6mm，液态细丝经一段气隙进入水温为15-25℃的纺丝水箱，经水冷却，制成冻胶丝，气隙牵伸倍数为4-8倍；

(3)对冻胶丝进行萃取：

冻胶丝经导丝辊进入萃取槽内进行萃取，所述萃取槽内的萃取剂为二甲苯，冻胶丝内的白色矿物油被萃取剂萃取出来后，萃取剂和白色矿物油再经分离工序回收，以循环利用；

(4)纺丝干燥：

萃取后的纤维进入干燥箱，经45-55℃的热空气吹干，纤维中所含的萃取剂经活性炭纤维吸附回收装置回收；

(5)后牵伸及卷绕制成有颜色的高强聚乙烯纤维：

由干燥箱牵出的干态纤维，进行1-3次的后牵伸，每次后牵伸的倍数在1-6倍之间，生产出15-30g/d的高强聚乙烯纤维。