CN101525778A - 高强高模聚乙烯纤维及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强高模聚乙烯纤维及其制造方法，所述的聚乙烯纤维采用以下组分及含量(重量％)为原料：聚乙烯10～15，精制石蜡油80～88，抗氧剂0.05～5，所述的制造方法包括配料、纺丝、萃取、干燥、热牵伸工序。与现有技术相比，本发明采用的纺丝工艺具有很好的溶胀效果，纺丝溶液浓度由原来的5－8％提高到10－15％，同时对后牵伸系统中的萃取和干燥工序进行改进，提高萃取和干燥的效率，大大降低牵伸过程中纤维丝的溶剂含量，提高牵伸速度和产品质量，得到高强度(35g/d及以上)的超高分子量聚乙烯纤维，实现了高强高模超高分子量聚乙烯纤维生产工艺的连续性和产品质量的优良性。
Description
技术领域
本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维，尤其是涉及一种高强高模聚乙烯纤维及其制造方法。
背景技术
随着人类的进步和近年来科学技术的突飞猛进的发展，社会各界对特种纤维的需求量与日俱增。继碳纤维和芳纶纤维之后，超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)以其优异的性能和广阔的应用前景而倍受人们关注，在近些年取得了长足的进步。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量以及优良的抗冲击性能、耐磨性能和耐候性能，因此被广泛应用于军事工程、航空航天工程、基建工程、农业机械、船舶缆绳、娱乐等领域，其应用范围有越来越广之势。
制造超高分子量聚乙烯纤维是一项复杂的技术工作，用于制造超高分子量聚乙烯纤维的聚乙烯的分子量可高达200-500万甚至更高，大分子链处于高度缠结状态，加工难度非常大，而要制造出高质量的纤维丝难度更大，国内没有现成的成熟工艺可用。
目前，高强高模超高分子量聚乙烯纤维均为短段纤维，且长度不一，无法保证生产长度，短长度纤维的应用仅限于制造防弹产品等，在制造绳索类产品及织物时，会产生生产连续性差、废料多的问题。同时，现有的超高分子量聚乙烯纤维的生产工艺存在线路长、有些工序间歇式操作、工艺复杂难以控制、断丝率高、生产效率低、能耗高、产品质量难以控制等问题，限制了超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单、生产效率高、产品质量优良的高强高模聚乙烯纤维及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
高强高模聚乙烯纤维，其特征在于，所述的聚乙烯纤维采用以下组分及含量(重量％)为原料：聚乙烯10～15，精制石蜡油80～88，抗氧剂0.05～5。
所述的聚乙烯为超高分子量聚乙烯，其分子量为200～500万。
所述的精制石蜡油为高粘度的精制石蜡油，其粘度为50～100mm2/s。
所述的抗氧剂包括抗氧剂300、抗氧剂330、抗氧剂DLTP、抗氧剂DSTP、抗氧剂168、抗氧剂1076、抗氧剂1010。
高强高模聚乙烯纤维的制造方法，其特征在于，该方法包括配料、纺丝、萃取、干燥、热牵伸工序，得到高强高模聚乙烯纤维。
所述的配料工序包括将以下组分及含量(重量％)的原料进行混合：聚乙烯10～15，精制石蜡油80～88，抗氧剂0.05～5。
所述的纺丝工序采用一步法溶胀和溶解的连续式纺丝工艺，该工艺采用大长径比的双螺杆挤出机，并采用积木式组合形成多组捏合；所述的大长径比的双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机，螺杆长径比为1∶64、1∶68或更大，螺杆直径为Φ65、Φ68、Φ72、Φ75、Φ85、Φ95或更大；所述的多组捏合分为两部分，第一部分为压缩式推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶胀，第二部分为压缩混炼推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶解。
所述的萃取工序采用多级连续萃取技术及立体超声波振动促进萃取技术，萃取剂为复配烷烃萃取剂，该复配烷烃萃取剂选自石油醚、己烷、辛烷、癸烷中的两种或两种以上。
所述的干燥工序采用热风强制循环的干燥系统，热风温度为40～80℃，采用的干燥设备包括箱式或甬道形式。
所述的热牵伸工序采用多级超倍热牵伸工艺，最高牵伸速度为100m/min。
与现有技术相比，本发明采用一步法溶胀和溶解的连续式工艺，具有很好的溶胀效果，纺丝溶液浓度由原来的5-8％提高到10-15％，生产效率提高30％以上，同时对后牵伸系统中的萃取和干燥工序进行改进，提高萃取和干燥的效率，大大降低牵伸过程中纤维丝的溶剂含量，提高牵伸速度和产品质量，得到高强度(35g/d及以上)的超高分子量聚乙烯纤维，解决了传统工艺因间歇式操作而造成质量波动的问题，具有工艺简单、可操控性强、生产效率高、连续不断丝、纺丝时间长等优点，实现了高强高模超高分子量聚乙烯纤维生产工艺的连续性和产品质量的优良性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种高强高模聚乙烯纤维的制造方法，该方法包括下列工序：
(1)配料：将以下组分及含量(重量％)的原料进行混合：超高分子量聚乙烯(分子量200万)10，高粘度精制石蜡油88(粘度为50mm2/s)，抗氧剂(1010)2；
(2)纺丝：采用大长径比的同向双螺杆挤出机，螺杆长径比为1∶64，螺杆直径为Φ65，并采用积木式组合形成多组捏合，多组捏合分为两部分，第一部分为压缩式推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶胀，第二部分为压缩混炼推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶解，从而形成一步法溶胀和溶解的连续式纺丝工艺，该连续式工艺具有很好的深度溶胀和溶解的效果，纺丝溶液浓度可由原来的5～8％提高到10～15％，可使生产效率提高30％以上，且质量稳定、易于控制；
(3)萃取：采用多级连续萃取技术及立体超声波振动促进萃取技术，萃取剂为复配烷烃萃取剂，该复配烷烃萃取剂包括己烷和辛烷(体积比1∶1)，利用萃取剂中溶剂含量的梯度分布，形成了一套高效萃取工艺，提高了萃取速度，有效降低了纤维丝中溶剂的残余含量，为牵伸工序提高牵伸速度和产品质量奠定良好的基础；
(4)干燥：采用箱式干燥设备，并采用热风强制循环的干燥系统(热风温度为40℃)，降低热量损失，并使箱体内温度均匀，在热风的快速流动下纤维丝表面的萃取剂更易挥发，增强干燥效果，有效降低纤维丝中萃取剂的残余含量，此项也为快速超倍牵伸奠定了良好的基础；
(5)热牵伸：采用多级超倍热牵伸工艺，由于上述的萃取和干燥工序速度快、效率高，因此获得了很高的牵伸速度，使后牵伸的速度大大提高，最高牵伸速度可达100m/min，生产效率可提高50％以上，同时，由于牵伸时纤维中溶剂含量极低，因此，在牵伸后获得了很高强度的超高分子量聚乙烯纤维，其强度一般可以达到35g/d及以上。
实施例2
一种高强高模聚乙烯纤维的制造方法，该方法包括下列工序：
(1)配料：将以下组分及含量(重量％)的原料进行混合：超高分子量聚乙烯(分子量300万)15，高粘度精制石蜡油80(粘度为80mm2/s)，抗氧剂(DLTP)5；
(2)纺丝：采用大长径比的同向双螺杆挤出机，螺杆长径比为1∶68，螺杆直径为Φ72，并采用积木式组合形成多组捏合，多组捏合分为两部分，第一部分为压缩式推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶胀，第二部分为压缩混炼推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶解，从而形成一步法溶胀和溶解的连续式纺丝工艺，该连续式工艺具有很好的深度溶胀和溶解的效果，纺丝溶液浓度可由原来的5～8％提高到10～15％，可使生产效率提高30％以上，且质量稳定、易于控制；
(3)萃取：采用多级连续萃取技术及立体超声波振动促进萃取技术，萃取剂为复配烷烃萃取剂，该复配烷烃萃取剂包括辛烷、石油醚和己烷(体积比1∶0.5∶0.5)，利用萃取剂中溶剂含量的梯度分布，形成了一套高效萃取工艺，提高了萃取速度，有效降低了纤维丝中溶剂的残余含量，为牵伸工序提高牵伸速度和产品质量奠定良好的基础；
(4)干燥：采用甬道式干燥设备，并采用热风强制循环的干燥系统(热风温度为60℃)，降低热量损失，并使箱体内温度均匀，在热风的快速流动下纤维丝表面的萃取剂更易挥发，增强干燥效果，有效降低纤维丝中萃取剂的残余含量，此项也为快速超倍牵伸奠定了良好的基础；
(5)热牵伸：采用多级超倍热牵伸工艺，由于上述的萃取和干燥工序速度快、效率高，因此获得了很高的牵伸速度，使后牵伸的速度大大提高，最高牵伸速度可达100m/min，生产效率可提高50％以上，同时，由于牵伸时纤维中溶剂含量极低，因此，在牵伸后获得了很高强度的超高分子量聚乙烯纤维，其强度一般可以达到35g/d及以上。
实施例3
一种超高强聚乙烯纤维的制造方法，该方法包括下列工序：
(1)配料：将以下组分及含量(重量％)的原料进行混合：超高分子量聚乙烯(分子量500万)14.95，高粘度精制石蜡油85(粘度为100mm2/s)，抗氧剂(300)0.05；
(2)纺丝：采用大长径比的同向双螺杆挤出机，螺杆长径比为1∶68或更大，螺杆直径为Φ95或更大，并采用积木式组合形成多组捏合，多组捏合分为两部分，第一部分为压缩式推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶胀，第二部分为压缩混炼推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶解，从而形成一步法溶胀和溶解的连续式纺丝工艺，该连续式工艺具有很好的深度溶胀和溶解的效果，纺丝溶液浓度可由原来的5～8％提高到10～15％，可使生产效率提高30％以上，且质量稳定、易于控制；
(3)萃取：采用多级连续萃取技术及立体超声波振动促进萃取技术，萃取剂为复配烷烃萃取剂，该复配烷烃萃取剂包括癸烷、辛烷和石油醚(体积比1∶0.8∶0.2)，利用萃取剂中溶剂含量的梯度分布，形成了一套高效萃取工艺，提高了萃取速度，有效降低了纤维丝中溶剂的残余含量，为牵伸工序提高牵伸速度和产品质量奠定良好的基础；
(4)干燥：采用甬道式干燥设备，并采用热风强制循环的干燥系统(热风温度为80℃)，降低热量损失，并使箱体内温度均匀，在热风的快速流动下纤维丝表面的萃取剂更易挥发，增强干燥效果，有效降低纤维丝中萃取剂的残余含量，此项也为快速超倍牵伸奠定了良好的基础；
(5)热牵伸：采用多级超倍热牵伸工艺，由于上述的萃取和干燥工序速度快、效率高，因此获得了很高的牵伸速度，使后牵伸的速度大大提高，最高牵伸速度可达100m/min，生产效率可提高50％以上，同时，由于牵伸时纤维中溶剂含量极低，因此，在牵伸后获得了很高强度的超高分子量聚乙烯纤维，其强度一般可以达到35g/d及以上。
本发明的高强高模聚乙烯纤维具有以下两大显著优点：
(1)生产工艺：本发明采用全环保无污染的生产工艺和原材料，所采用的技术领先于现有工艺，克服了生产过程中的高污染、高危险性，以及残留成份对纤维的耐蠕变等使用性能带来的不利影响，无需分离回收大量混合试剂，降低生产成本高，本发明符合时代发展、处于世界先进水平；
(2)连续生产长度：本发明领先独特的工艺技术保证高强高模超高分子量聚乙烯纤维可以连续不断丝的生产，得到大长度的聚乙烯纤维，满足了光缆中使用的必要条件，具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.高强高模聚乙烯纤维，其特征在于，所述的聚乙烯纤维采用以下组分及含量(重量％)为原料：聚乙烯10～15，精制石蜡油80～88，抗氧剂0.05～5。
2.根据权利要求1所述的高强高模聚乙烯纤维，其特征在于，所述的聚乙烯为超高分子量聚乙烯，其分子量为200～500万。
3.根据权利要求1所述的高强高模聚乙烯纤维，其特征在于，所述的精制石蜡油为高粘度的精制石蜡油，其粘度为50～100mm2/s。
4.根据权利要求1所述的高强高模聚乙烯纤维，其特征在于，所述的抗氧剂包括抗氧剂300、抗氧剂330、抗氧剂DLTP、抗氧剂DSTP、抗氧剂168、抗氧剂1076、抗氧剂1010。
5.高强高模聚乙烯纤维的制造方法，其特征在于，该方法包括配料、纺丝、萃取、干燥、热牵伸工序，得到高强高模聚乙烯纤维。
6.根据权利要求5所述的高强高模聚乙烯纤维的制造方法，其特征在于，所述的配料工序包括将以下组分及含量(重量％)的原料进行混合：聚乙烯10～15，精制石蜡油80～88，抗氧剂0.05～5。
7.根据权利要求5所述的高强高模聚乙烯纤维的制造方法，其特征在于，所述的纺丝工序采用一步法溶胀和溶解的连续式纺丝工艺，该工艺采用大长径比的双螺杆挤出机，并采用积木式组合形成多组捏合；所述的大长径比的双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机，螺杆长径比为1∶64、1∶68或更大，螺杆直径为Φ65、Φ68、Φ72、Φ75、Φ85、Φ95或更大；所述的多组捏合分为两部分，第一部分为压缩式推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶胀，第二部分为压缩混炼推进段，用于超高分子量聚乙烯的溶解。
8.根据权利要求5所述的高强高模聚乙烯纤维的制造方法，其特征在于，所述的萃取工序采用多级连续萃取技术及立体超声波振动促进萃取技术，萃取剂为复配烷烃萃取剂，该复配烷烃萃取剂选自石油醚、己烷、辛烷、癸烷中的两种或两种以上。
9.根据权利要求5所述的高强高模聚乙烯纤维的制造方法，其特征在于，所述的干燥工序采用热风强制循环的干燥系统，热风温度为40～80℃，采用的干燥设备包括箱式或甬道形式。
10.根据权利要求5所述的高强高模聚乙烯纤维的制造方法，其特征在于，所述的热牵伸工序采用多级超倍热牵伸工艺，最高牵伸速度为100m/min。
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