CN101270502B - 一种在线松弛定型的超高分子量聚乙烯纤维生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在超高分子量聚乙烯纤维连续生产工艺中，消除冻胶丝内应力的方法。其特征是在连续生产工艺环节中加入恒温条件下的链板输送装置，使冻胶丝在无张力输送过程中回缩长度的20-30％，使冻胶丝束在线实现了收缩和致密的过程，充分提高了高强纤维各项技术指标的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及冻胶法生产超高分子量聚乙烯纤维工艺流程技术，尤其涉及带有松弛定型装置的冻胶法连续直纺超拉伸工艺生产聚乙烯纤维的方法。
背景技术
目前生产高强聚乙烯纤维多采用超高分子量聚乙烯为原料，矿物油为溶剂，采用“冻胶法”生产出冻胶丝。冻胶丝经“静置平衡”再经超倍拉伸制成成品。这种方法的缺点是操作复杂，中间环节多，冻胶丝束间均衡条件差，对产品品质的均匀性影响较大。受冻胶丝容器体积限制，丝束长度有限，在定重定长生产中易增加接头数量或造成较大浪费。生产工艺环节较多，劳动力使用成本相对较高。
现有的连续直纺工艺产品的均匀性得到了一定的提高。但由于冻胶丝在冷却水槽内定型后就进行预牵伸、萃取等工序处理直至初牵伸，丝束始终处于应力增加的状态。使用现有的连续直纺工艺制造的超高分子量聚乙烯纤维，单丝纤度偏高，容易产生毛丝、并丝。尤其是冻胶丝束无静置相分离过程，丝束中溶剂含量较高增加了萃取负荷，影响了纺速提高，产能相对较低。
采用冻胶法生产超高分子量聚乙烯纤维，从丝束应力平衡、缺陷自修复的工艺特点来看，可分“冻胶丝断点”和“干丝断点”两种工艺。
“冻胶丝断点”工艺是把从喷丝孔挤出的熔体(或称为半熔体，因为解缠剂矿油的存在)细流经过水冷却形成的冻胶丝直接落桶。冻胶丝在储丝桶中经过一定时间静置后，再次进行萃取、干燥和热牵成形。在“静置”过程中，冻胶丝有效完成了应力消除、组织致密及缺陷“自修复”过程。为纤维的后拉伸性能创造了有利的条件。由于冻胶丝在储丝桶静置时，受时间、温度、叠放位置以及牵伸顺序等因素影响，使纤维的均匀性受到一定影响。
另一种“干丝断点”工艺是将冷却后形成的冻胶丝直接进行萃取、干燥和初拉伸的干丝丝筒落筒。干丝丝筒经一定时间静置后，再次集束复牵成形。现有的连续直纺工艺均采用此种方法。该工艺可使纤维的均匀性得到较大程度的改善与提高，但是由于冻胶丝缺少“静置相分离”过程，使得冻胶丝在萃取后进行干燥时容易产生并丝，同时纤维“应力”的持续增加使丝束的后拉伸性能也不如“冻胶丝断点”工艺。主要体现在单丝纤度不宜降低和毛丝数量增加上。
如何避免上述两种工艺的缺欠，发挥这两种工艺的优势，成为我们关注的焦点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有在线松弛定型装置的超高分子量聚乙烯纤维连续直纺的生产工艺及设备。该工艺流程克服了“冻胶丝断点”和现有连续直纺“干丝断点”两种工艺中的缺点和不足。由于生产工艺优化，产品成本降低、纤维品质得以提高。本发明的工艺流程新颖合理、工艺控制稳定，操作灵活适用，有利于提高产品品质和均一性。
本发明的技术方案主要包括纺丝路线的选择与设计；松弛定型装置的设计与实施；松弛定型工艺条件与生产线速度的设计与匹配；松弛定型环境的设计等。
本发明的技术特点是在前纺冷却水槽和后纺集束架之间加装了一套可调速并自动运转的铺丝链板，冻胶丝束在链板上呈无张力状态被输送，在恒温静置的环境中自然收缩整理。链板材质可以是不锈钢或是其它耐油水腐蚀材料。铺丝机传动采用变频器控制的无级调速系统，速度范围是0～20米/分钟。铺丝机链板可以采用单层或复式结构：即一组链板或多组链板，单层链板的长度大于12米，复式链板的长度可相应减少，可减少占地面积。采用单层或复式型式根据现场工艺条件确定。铺丝链板要有足够的均匀分布的孔眼，便于冻胶丝发生相分离后油水的收集。整理装置和冻胶丝预牵伸装置处于恒温室内，恒温室的温度控制在20-25℃范围内。链板宽度依据纺丝箱体丝束的平行集束宽度确定。链板与冻胶丝预牵伸握持辊入口之间有“弧形”的丝束收敛机构和张力控制机构，避免因丝束间隙过宽而导致后道工序设备——萃取、干燥等宽度不必要的增大。
本发明通过在超高分子量聚乙烯冻胶丝成型与冻胶丝集束架之间加装丝束输送装置，使丝束在输送过程中无张力回缩，使冻胶丝束在线实现了收缩和致密的过程。一方面解决了冻胶丝断点工艺过程中丝束收缩不匀导致成品纤度不匀的缺点。同时，降低了用工数量和劳动强度，提高了生产效率。生产过程中间环节减少，有利于降低生产消耗和减少不可控因素。另一方面克服了现有连续直纺工艺中冻胶丝因缺少相分离过程，而造成的萃取负荷大，容易产生并丝，牵伸性能下降等缺点。实现了“冻胶丝断点”和现有连续直纺生产工艺优点的有机结合，填补了国内冻胶法生产超高分子量聚乙烯纤维连续直纺工艺的空白。
附图说明
图1是本发明的松弛定型装置及工艺路线示意图；
图2是本发明的多层结构无张力带式输送装置示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的超高分子量聚乙烯纤维生产方法进行详细说明，图1是本发明的松弛定型装置及工艺路线示意图。如图所示，纺丝原料经过配料系统1进入双螺杆挤出机2。在2中完成溶胀、熔融和溶解、匀混等过程，经过滤器3进入计量泵4。通过计量泵4定量输送到纺丝箱体和组件5，形成熔体细流后在冷却水系统6中形成冻胶丝。冷却成形的冻胶丝7经过导辊8喂入到冻胶丝铺丝辊10(带有压丝和均匀铺丝装置)，此时冻胶丝已经进入恒温室9。9中的温度控制在20～25℃范围内，温度控制精度在1℃以内。铺丝辊10的最高线速度为10m/min，丝束被均匀地铺在无张力带式输送装置11上。装置11可以是不锈钢链板，也可以是网状或是带有孔眼的其它带式输送设备。装置11的线速度为0.1～0.5m/min。无张力带式输送装置11可以是复式结构，即多层结构，如图2所示，丝束可以往复被输送。丝束在装置11和恒温条件下，收缩率为20～25％。收缩后的冻胶丝在11出口经过集束架12经导辊13引出。导辊13的最高速度为8m/min。
从导辊13出来的丝束经过张力控制装置14进入预牵伸握持辊15。辊15的速度为辊13的1.01倍左右。预牵伸拉伸辊16的速度是辊15的3～4倍。辊16最高速度为32m/min左右。由16出来的经过预牵伸的冻胶丝，进入特殊设计的高效多级逆向萃取装置17，在17中丝条上的第一溶剂被第二溶剂迅速置换，在其出口处的含有第二溶剂的丝条中，第一溶剂的含量低于0.5％或近乎于0。丝条在17中的运行速度可达32m/min以上。
被去除第一溶剂的丝条在密封状态下进入多级负压干燥设备18中。丝条在干燥设备中的运行速度可以超过35m/min。在短时间内去除第二溶剂以后，出来的干胶丝马上进入超倍热拉伸环节-19与20组成的初次热拉伸。初次热拉伸可以是一道，也可以是2～3道，热拉伸倍数2～4倍。经过热拉伸的丝束由21卷绕成型。根据产品需要，可以把卷绕成形的丝束经离线平衡或热处理后，再次经过由22至28组成的多道热拉伸，以进一步提高和改善纤维的力学性能。
实施例
实施例1
主要工艺参数：
釜1中加入超高分子量聚乙烯浆料，其特性黏度IV≤22；
溶液浓度8％(w.t.)，(原料粒径分布在110～120目)釜内恒温90℃；
双螺杆挤出设备2的熔体温度260℃；
纺丝箱5中喷丝板孔径0.8mm；
冷却水槽内纺速V6＝3.4m/min；
铺丝速度V10＝6m/min；
松弛装置运行速度V11＝0.1m/min；
松弛装置采用单板式；
盛丝有效长度12m；
丝束在松弛装置上的停留时间为120min；
丝束的在线收缩率为20％；
恒温室温度20℃；
预牵伸握持辊速度V15＝4.85m/min；
预牵伸拉伸辊速度V16＝19.5m/min，初级热牵伸采用一级；
初次热牵伸辊速度V19＝21.45m/min；
卷绕速度V21＝55m/min；
再次多道热拉伸握持辊速度V23＝10m/min；
再次多道热拉伸卷绕速度V28＝30m/min.
在28处卷绕成型的成品丝的平均性能比较：
成品纤度规格：200d/80f
表1
| 纤维代号 | 纤度均匀(Cv值表示) | 开松度(％) | 断头率(次/20000m) | 强度(cN/dtex) | 模量(cN/dtex) |
| A | 1.05～2 | 80～90 | 0～1 | 32.3 | 1250 |
| B | ＞4 | 85～95 | 1～3 | 31 | 1230 |
A代表本发明中纤维；B代表同规格冻胶丝断点工艺生产的纤维。
实例2
主要工艺参数
纺丝工艺参数同实施例1。
铺丝速度V10＝6m/min；
松弛装置运行速度V11＝0.1m/min；
松弛装置采用单板式，盛丝有效长度12m；
丝束在松弛装置上的停留时间为120min；
丝束的在线收缩率为25％；
恒温室温度25℃；
预牵伸握持辊速度V15＝4.55m/min；
预牵伸拉伸辊速度V16＝18.2m/min；
初次热牵伸辊速度V19＝20m/min；
初次热牵伸采用三级连续拉伸；
卷绕速度V21＝105m/min；
在28处卷绕成型的成品丝的平均性能比较：
成品纤度规格：600d/160f
表2
| 纤维代号 | 纤度均匀性(Cv值表示) | 开松度(％) | 断头率(次/20000m) | 强度(cN/dtex) | 模量(cN/dtex) |
| A | ＜2 | 85～90 | 0 | 30 | 1150 |
| B | ＞5 | 85～95 | 1～3 | 30 | 1030 |
A代表本发明中纤维；B代表同规格冻胶丝断点工艺生产的纤维。
实例3
主要工艺参数：
纺丝工艺参数同上。
铺丝速度V10＝8m/min
松弛装置运行速度V11＝0.1m/min
松弛装置采用单板式，盛丝有效长度12m
丝束在松弛装置上的停留时间为120min
丝束的在线收缩率为25％
恒温室温度25±1℃
预牵伸握持辊速度V15＝6m/min
预牵伸拉伸辊速度V16＝24m/min
初次热牵伸辊速度V19＝26.5m/min
初级热牵伸采用一级
卷绕速度V21＝75m/min
再次多道热拉伸握持辊速度V23＝15m/min
再次多道热拉伸卷绕速度V28＝45m/min
在28处卷绕成型的成品丝的平均性能比较：
成品纤度规格：400d/120f
表3
| 纤维代号 | 纤度均匀性(Cv值表示) | 开松度(％) | 断头率(次/20000m) | 强度(cN/dtex) | 模量(cN/dtex) |
| A | ＜2 | 85～90 | 0 | 31.8 | 1220 |
| B | ＞4 | 85～95 | 1～3 | 31 | 1200 |
A代表本发明中纤维；B代表同规格冻胶丝断点工艺生产的纤维。
实例4
主要工艺参数
纺丝工艺参数同上。
铺丝速度V10＝10m/min
松弛装置采用复合式，分上下三层，盛丝总有效长度18m。见图2
松弛装置上下层之间等速运行，速度V11＝0.1m/min
丝束在松弛装置上的停留时间为180min
丝束的在线收缩率为30％
恒温室温度25±1℃
预牵伸握持辊速度V15＝7.1m/min
预牵伸拉伸辊速度V16＝28.5m/min
初级热牵伸采用一级，初次热牵伸辊速度V19＝31.45m/min
卷绕速度V21＝78.5m/min
再次多道热拉伸握持辊速度V23＝10m/min
再次多道热拉伸卷绕速度V28＝45m/min
在28处卷绕成型的成品丝的平均性能比较：
成品纤度规格：200d/80f
A代表本发明中纤维；B代表同规格冻胶丝断点工艺生产的纤维。
表4
| 纤维代号 | 纤度均匀性(Cv值表示) | 开松度(％) | 断头率(次/20000m) | 强度(cN/dtex) | 模量(cN/dtex) |
| A | ～1.5 | 85～90 | 0～2 | 32.5 | 1220 |
| B | ＞4 | 85～95 | 1～3 | 31 | 1230 |
Claims (8)
1.一种消除冻胶丝内应力的方法，其特征是，用冻胶法生产超高分子量聚乙烯纤维的工艺中，在恒温环境中采用具有可调速铺丝链板或网帘式传送带的输送装置输送冻胶丝，使冻胶丝在无张力状况下回缩长度的20％-30％。
2.根据权利要求1所述的消除冻胶丝内应力的方法，其特征是，所述的输送装置的传动采用变频器控制的无级调速系统，速度范围是0～20米/分钟。
3.根据权利要求1所述的消除冻胶丝内应力的方法，其特征是，所述的恒温环境的温度范围是20-25℃。
4.根据权利要求1所述的消除冻胶丝内应力的方法，其特征是，所述铺丝链板采用单层的一组链板或多层的多组链板结构。
5.根据权利要求4所述的消除冻胶丝内应力的方法，其特征是，单层的链板的长度大于12米。
6.根据权利要求4所述的消除冻胶丝内应力的方法，其特征是，所述铺丝链板安装在前纺冷却水槽和后纺集束架之间。
7.根据权利要求4所述的消除冻胶丝内应力的方法，其特征是，所述铺丝链板的材质是不锈钢或其它耐油水腐蚀材料。
8.根据权利要求3所述的消除冻胶丝内应力的方法，其特征是，所述铺丝链板是不锈钢链板、网状或是带有孔眼的带式输送设备。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Owner name: SINOTEX INVESTMENT + DEVELOPMENT CO., LTD. Effective date: 20121119 |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20121119 Address after: 100176 No. 16 Zhonghe street, Beijing economic and Technological Development Zone, Beijing Patentee after: BEIJING TONGYIZHONG SPECIALTY FIBRE TECHNOLOGY & DEVELOPMENT Co.,Ltd. Patentee after: SINOTEX INVESTMENT&DEVELOPMENT Co.,Ltd. Address before: 100176 No. 16 Zhonghe street, Beijing economic and Technological Development Zone, Beijing Patentee before: BEIJING TONGYIZHONG SPECIALTY FIBRE TECHNOLOGY & DEVELOPMENT Co.,Ltd. |
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Address after: 100176 No. 16 Zhonghe street, Beijing economic and Technological Development Zone, Beijing Patentee after: BEIJING TONGYIZHONG SPECIALTY FIBRE TECHNOLOGY & DEVELOPMENT Co.,Ltd. Patentee after: SDIC Limited by Share Ltd. Address before: 100176 No. 16 Zhonghe street, Beijing economic and Technological Development Zone, Beijing Patentee before: BEIJING TONGYIZHONG SPECIALTY FIBRE TECHNOLOGY & DEVELOPMENT Co.,Ltd. Patentee before: SINOTEX INVESTMENT&DEVELOPMENT Co.,Ltd. |
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