CN101575743B - 一种超高分子量聚乙烯纤维纺丝原液的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液制备方法，包括步骤：a)将超高分子量聚乙烯粉末与溶剂放在温度为70℃～150℃的溶胀釜内溶胀20分钟～200分钟得到悬浮液，所述悬浮液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为4％～25％，所述溶剂为室温下是液体的碳氢化合物；b)将所述悬浮液在不超过10分钟的时间内送入储料釜，将悬浮液在储料釜内冷却到室温；c)将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机挤压溶解得到超高分子量聚乙烯溶液。本发明在溶胀过程完成后，将悬浮液立即送入室温下的储料釜内进行冷却，防止发生过溶胀现象，可以制备均匀的超高分子量聚乙烯纺丝溶液。

Description

一种超高分子量聚乙烯纤维纺丝原液的制备方法 

技术领域

本发明涉及纤维纺丝原液的制备方法，具体涉及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维纺丝原液的制备方法。 

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维也称高强高模聚乙烯(HSHMPE)纤维或伸长链聚乙烯(ECPE)纤维，是指相对分子质量在(1～7)×10⁶的聚乙烯，经纺丝-超拉伸后制成的超高分子质量聚乙烯纤维。它是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代高性能纤维。 

聚乙烯纤维增强复合材料与其它纤维增强复合材料相比，具有质量轻、耐冲击、介电性能高等优点，在现代化战争和航空航天、海域防御、武器装备等领域发挥着举足轻重的作用。同时，该纤维在汽车、船舶、医疗器械、体育运动器材等领域亦有广阔的应用前景。因此，聚乙烯纤维自问世起就倍受重视，发展很快。 

1979年，荷兰DSM公司申请了采用冻胶技术制造超高分子量聚乙烯纤维的专利(NL7900990，NL7904990及相应的US4344908、特公昭64-8732、US4422993)。冻胶技术是指将聚乙烯与合适的溶剂制成纺丝溶液，然后将纺丝溶液冷却到凝胶态，采用萃取工艺将溶剂去除，再经过干燥、超倍(30倍～130倍)热拉伸得到聚乙烯纤维。由于冻胶纺丝法有利于形成更高效传输张力负荷的伸长链结构，因此制备出的聚乙纤维具有非常高的强度和模量，且耐冲击性能优异，应用比较广泛。 

聚乙烯冻胶纺丝的关键技术是制备解除大分子之间缠结的均匀超高分子量聚乙烯溶液。如果溶液不是均匀的，在制备纤维的整个过程中，初生丝条的质量以及在凝胶状态时的拉伸性就会受到严重的影响，材料最终的力学性能也会受到较严重的损害。然而，制造聚乙烯烯均匀溶液是一项非常复杂的过程，这是因为超高分子量聚乙烯具有非常高的重均分子量(5×10⁵以上)，在聚乙烯溶液采用釜式搅拌的过程中，聚乙烯大分子往往聚集在搅拌杆或其他装置的周围，即发生通常所说的韦森堡效应(weissenberkg现象)。发生韦 森堡效应时，很难制备均匀的纺丝溶液。 

为了解决超高分子量聚乙烯的均匀溶解，人们发明了将超高分子量聚乙烯溶胀后采用双螺杆挤出机进一步溶解聚乙烯制备均匀溶液的方法。CN1190137C、CN1047414C、JP.86-73743、JP86-143439均公开了先将超高分子量聚乙烯在溶剂中经过初步的溶胀后定量地喂入双螺杆挤出机进行溶解的技术方案。由于双螺杆挤出机的卓越的混炼效果，大大提高了溶解效果，使超高分子量聚乙烯可溶解浓度得到大幅度的提高，高粘度的溶液又为之后双螺杆挤出机机头压力的建立、脱泡创造了条件。 

采用双螺杆挤出机制备超高分子量纺丝溶液的过程可分为两个阶段：聚乙烯纤维在溶剂内的溶胀和在双螺杆挤出机内的溶解。在溶胀阶段，主要表现为溶剂向超高分子量聚乙烯中渗透与扩散，聚乙烯体积膨胀。溶胀是一个对温度极为敏感的吸热过程，仅在很窄的温度范围内进行，溶胀不妥导致无法制得均匀的纺丝溶液。如果溶胀不足，出现“夹生”现象，超高分子量聚乙烯的溶解就会不均匀；溶胀太充分，超高分子量聚乙烯颗粒会聚集成团，阻碍双螺杆挤出机的正常均匀喂入，适当的溶胀成为制备均匀溶液的关键。 

如果制备了不均匀的超高分子量聚乙纤维纺丝溶液，在纺丝时会造成初生丝条性能不均匀，性能不均匀的初生丝条经过萃取—超拉伸后会制备出性能不稳定的聚乙烯纤维，具体表现在纤维的各种力学性能的离散系数(变异系数，CV值)较大。更严重的是，使用不均匀的超高分子量聚乙烯纺丝溶液进行纺丝还会容易发生断丝的现象。 

因此，需要一种能够制备均匀的超高分子量聚乙纤维纺丝溶液的方法。 

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种能够制备均匀的超高分子量聚乙烯纤维纺丝原液的方法。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种超高分子量聚乙烯纺丝原液的制备方法，包括以下步骤： 

a)将超高分子量聚乙烯粉末与溶剂放在温度为70℃～150℃的溶胀釜内搅拌溶胀20分钟～200分钟得到悬浮液，所述悬浮液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为4％～25％，所述溶剂为室温下是液体的碳氢化合物； 

b)将所述悬浮液在不超过10分钟的时间内送入储料釜，将悬浮液在储料釜内冷却到室温； 

c)将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机挤压溶解得到超高分子量聚乙烯溶液； 

其中，所述步骤a)包括： 

a1)将所述溶剂分为第一质量份M₁和第二质量份M₂，M₁与M₂的质量比为20～30∶80～70，将M₁在溶胀釜内预热到100℃～120℃，然后将超高分子量聚乙烯粉末与M₁混合进行第一次溶胀，第一次溶胀时间为5分钟～20分钟； 

a2)将M₂预热到70℃～100℃与初步溶胀后的超高分子量聚乙烯和M₁混合进行第二次溶胀得到悬浮液，进行步骤b)，第二次溶胀时间为15分钟～40分钟。 

优选的，所述步骤b)为：将所述悬浮液在不超过5分钟的时间内送入储料釜，将悬浮液在储料釜内冷却到室温。 

优选的，所述步骤a)中，在溶胀过程完成之前，在溶胀釜内施加不超过0.5MPa的压力。 

优选的，所述步骤a)中，在溶胀过程完成之前，在溶胀釜内施加不超过0.3MPa的压力。 

优选的，所述溶剂选自四氢化萘、十氢化萘、煤油、石蜡油或石蜡中的一种或几种。 

优选的，所述溶剂为分子量为40～1000的石蜡油。 

优选的，所述步骤c)具体为将所述悬浮液喂入双螺杆挤出机进行挤压溶解制得纺丝溶液，所述悬浮液喂入双螺杆挤出机的入口温度为85℃～120℃，中间挤压溶解的温度为120℃～250℃，出口温度为200℃～260℃，双螺杆挤出机的旋转速度为30r/min～300r/min。 

优选的，所述M₁与M₂的质量比为22～28∶78～72。 

本发明提供一种超高分子量聚乙烯纤维纺丝原液的制备方法。本发明在溶胀过程完成后，将悬浮液立即送入室温下的储料釜进行冷却，防止悬浮液继续在溶胀釜内吸热发生过溶胀，再将均匀溶胀后的悬浮液送入双螺杆挤出机挤压溶解可以制备均匀的超高分子量聚乙烯纺丝溶液。另外，本发明先将聚乙烯粉末与溶剂的两部分先后在高温和低温下进行溶胀，在高温溶胀时，溶胀速率快，有利于溶剂在聚乙烯粉末内的渗透，然后在低温下进行较为缓慢的溶胀，可以使溶胀过程更加均匀，有利于制备均匀的纺丝溶液。在利用本发明提供的纺丝溶液进行纺丝时，在不同的拉伸条件下，提高了纤维力学性能的稳定性。 

附图说明

图1是本发明制备超高分子量聚乙烯纺丝原液示意图。 

具体实施方式

本发明的一个涉及制备超高分子量聚乙烯纤维纺丝原液的制备方法，包括以下步骤： 

a)将超高分子量聚乙烯粉末与溶剂放在温度为70℃～130℃的溶胀釜内搅拌溶胀20分钟～60分钟得到悬浮液，所述悬浮液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为4％～25％，所述溶剂为室温下是液体的碳氢化合物； 

b)将所述悬浮液在不超过10分钟的时间内送入储料釜，将悬浮液在储料釜内冷却到室温； 

c)将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机挤压溶解得到超高分子量聚乙烯溶液。 

为达到本发明的目的，所述超高分子量聚乙烯为重均分子量(M_w)为(1～7)×10⁶的线性超高分子量聚乙烯，优选的，重均分子量为(1.5～4.5)×10⁶，更优选的，重均分子量为(1.8～4.0)×10⁶。所述超高分子量聚乙烯的粉末粒度为40μm(微米)～200μm，优选的，所述超高分子量聚乙烯粉末粒度为90μm～180μm。 

为了达到本发明的目的，所述作为超高分子量聚乙烯纺丝原液的溶剂为室温下是液体的碳氢化合物，优选的，可以为氢化萘或烷烃系列，例如可以选自四氢化萘、十氢化萘、煤油、石蜡油或石蜡中的一种或几种作为超高分子量聚乙烯的溶剂；更优选的，溶剂为40～1000的石蜡油。 

本文中，先将超高分子量聚乙烯与溶剂混合进行溶胀，在溶胀的过程中，溶剂分子向超高分子量聚乙烯大分子渗透与扩散，溶胀是一个对温度极为敏 感的吸热过程。进行适度的溶胀是制备超高分子量聚乙烯纤维均匀纺丝溶液的关键，所述的适度是指溶胀既要充分进行，也不能溶胀过度，如果有聚乙烯分子由于未被溶剂充分渗透出现“夹生”的现象，那么在后续对其进行挤压溶解时，这种“夹生”的聚乙烯也不能被溶解，纺丝时会导致断丝的发生；如果聚乙烯分子发生了过度溶胀，会导致悬浮液浓度升高，发生韦森堡效应，从而在进行挤压溶解时，会使纺丝溶液不均匀，具体表现为制备的超高分子量聚乙烯纤维性能极不稳定，离散系数(CV值，Coefficient of Variance)过大，使纤维的实用性下降。 

因此，为了进行适度的溶胀，必须严格控制溶胀工艺，即在溶胀过程中，要在合适的温度范围内严格控制溶胀时间，为了使超高分子量充分溶胀，时间要足够长，温度要控制准确，为防止溶胀过度，一旦溶胀过程结束时，需要立刻结束溶胀过程。为了达到这样的目的，本发明使超高分子量聚乙烯粉末与溶剂混合溶胀20分钟～60分钟后制成悬浮液后，需要在不超过10分钟的时间内，将悬浮液送入温度为室温的储料釜内；优选的，在不超过5分钟的时间内，将悬浮液送入温度为室温的储料釜内；更优选的，在不超过4分钟的时间内，将悬浮液送入温度为室温的储料釜内。对于溶胀釜和储料釜，本发明并无特别的限制，可以使用本领域技术人员熟知的反应釜。 

由于溶胀过程是在高温的溶胀釜内进行的，溶胀釜一般采用热水套进行加热，降温速率慢，当溶胀达到要求后，如果使悬浮液继续停留在溶胀釜内等到溶胀釜温度降到室温时，在这个等待的过程中，悬浮液会继续吸热进行溶胀反应；或者，悬浮液流入储料釜的时间太长，悬浮液也会继续吸热进行溶胀反应。因此，本发明将悬浮液在溶胀达到要求后在不超过10分钟的时间内送入室温的储料釜。为了达到快速送料的目的，可以在溶胀釜与储料釜之间设置多个送料通道，使送料一次完成；另外，也可以在溶胀达到要求的时间以前，在溶胀釜内施加不超过0.5MPa的压力，优选的，施加不超过0.3MPa的压力，使溶胀后的悬浮液在压力的作用下快速送入储料釜。对于在溶胀釜内施加压力的时间点，本发明并无具体限制，只要在溶胀完成之前加压即可。 

按照本发明，将所述超高分子量聚乙烯与溶剂在温度为70℃～150℃的范围内溶胀20分钟～200分钟，优选的，将所述超高分子量聚乙烯与溶剂在 温度为75℃～125℃的范围内溶胀25分钟～55分钟。为了制备可纺性能高的均匀的超高分子量聚乙烯纺丝溶液，本发明提供的纺丝溶液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为4％～25％，优选的，纺丝溶液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为5％～19％，更优选的，纺丝溶液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为7％～15％。 

按照本发明，在对超高分子量聚乙烯进行溶胀时，为了达到更好的效果，本发明将溶剂分成第一质量份M₁和第二质量份M₂先后与超高分子量聚乙烯混合进行溶胀，因此在步骤a)可以分两步完成： 

a1)将溶剂分为第一质量份M₁和第二质量份M₂，M₁与M₂的质量比为20～30∶80～70，优选的，M₁与M₂的质量比为22～28∶78～72，将M₁ 在溶胀釜内预热到100℃～120℃，然后将超高分子量聚乙烯粉末与M₁混合进行第一次溶张，第一次溶胀时间为5分钟～20分钟，优选的，第一次溶胀时间为10分钟～15分钟； 

a2)将M2预热到70℃～100℃与初步溶胀后的超高分子量聚乙烯和M₁ 混合进行第二次溶胀得到悬浮液，进行步骤b)，第二次溶胀时间为15分钟～40分钟。 

在步骤a1)中，超高分子量聚乙烯先与质量较少的M₁混合后，由于浓度较高，温度高的溶剂对于聚乙烯的预溶胀效果明显，有利于使超高分子量聚乙烯均匀溶胀。但是由于温度较高，为了防止过溶胀，因此这个阶段时间不能过长。经过第一次溶胀后，再将温度为70℃～100℃的第二质量份M₂ 放入溶胀釜内进行第二次溶胀，在进行第二次溶胀的过程中，可以将溶胀釜的环境温度降到与M₂同样的温度，由于第二次溶胀进行的时间较长，因此降温速率对本发明的技术方案并无影响。在这一步骤中，溶胀的速度变慢，使溶胀更加均匀。 

超高分子量聚乙烯经过溶张制备悬浮液后需要将其送入储料釜内冷却至室温，再将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机进行挤压溶解得到均匀的纺丝溶液。其中，悬浮液送入双螺杆的入口温度为85℃～120℃，中间挤压温度为120℃～250℃，出口温度为200℃～260℃。悬浮液在双螺杆挤出机内的停留时间不超过10分钟，优选的，停留时间为3分钟～8分钟，更优选的，停 留时间为4～6分钟。双螺杆挤出机的旋转速度为70r/min(转/分钟)～200r/min，优选的，双螺杆挤出机的旋转速度为90r/min～200r/min。 

按照本发明，在制备纺丝溶液后，需要将纺丝溶液制成超高分子量聚乙烯纤维，测试其力学性能才能更客观、准确的评价纺丝溶液的均匀性。因此，采用冻胶纺丝技术制备超高分子量聚乙烯冻胶原丝。冻胶纺丝的工艺为：喷丝孔的孔径为0.6mm～5mm，喷丝孔的长径比L/D为6/1～30/1，纺丝溶液挤出速率为0.5m/min～10m/min；挤出后，纺丝液经过0℃～36℃的冷却定型，喷头牵伸倍数不超过2倍，优选的，喷头牵伸倍数不超过1.8倍。 

由于冻胶丝中的溶剂不利于后续的拉伸，因此需要采用萃取工艺将冻胶丝中的溶剂去除，选用的萃取剂对溶剂应该具有良好的相混或相容性，并且具有低的沸点和高的挥发性。所用萃取剂可以为易挥发的低级烷烃或卤代烃。例如，当使用石蜡油作为溶剂时，可以选用已烷、庚烷、甲苯、氯甲烷、溶剂油等作为萃取剂，优选的，选用溶剂油作为萃取剂。超高分子量聚乙烯经过萃取后，在40℃～80℃的温度范围内对其进行干燥使萃取剂挥发。对干燥后的冻胶原丝在70℃～160℃的温度范围内施加30倍～130倍的热拉伸制成超高分子量聚乙烯纤维。 

本发明中纤维力学性能是按照如下方法测试的：采用DXLL-20000电子拉力机测定纤维的强度和模量，测试条件为夹距250mm，下降速度50mm/min(毫米/分钟) 

每个式样的性能值：取X₁，X₂…X_n共n个式样的性能值； 

式样性能取算术平均值即： 

$X=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}{n}$ ---------------------------------------------------------公式1 

公式1中：X_i——每个试样的性能值， 

         n——试样数； 

标准差(S)采用如下的方法： 

$S=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X-X_i)}^2}{n-1}}$ ------------------------------------------------公式2 

公式2中，S为标准差，其它符号同公式1； 

离散系数(CV)采用如下的方法： 

$\mathrm{CV}=\frac{S}{X}\×100\%$ ------------------------------------------------公式3 

公式3中，CV为离散系数，其它符号同公式2。 

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求范围的限制。 

实施例 

为了更好的比较效果，在以下的实施例和比较例中使用了相同的原料，所用超高分子聚乙烯的重均分子量M_W为2.4×10⁶，粉末粒度为80μm～120μm，所用溶剂为渗透性石蜡油(η＝7.5)，所用萃取剂为120号溶剂油。 

实施例1 

将石蜡油19kg在溶胀釜101内预热到112℃，再将5kg超高分子量聚乙烯粉末放到溶胀釜内与石蜡油混合进行第一次溶胀8分钟；第一次溶胀后，再将温度为88℃的第二份石蜡油76kg放到溶胀釜内进行第二次溶胀得到超高分子量聚乙烯悬浮液，第二次溶胀时间为25分钟，放入第二份石蜡油的同时，将溶胀釜的环境温度降到88℃。 

第二次溶胀过程进行到20分钟时，在溶胀釜101内施加0.2MPa的压力，第二次溶胀到达时间后，将悬浮液在压力的作用下送入温度为20℃的储料釜102内冷却，悬浮液送入储料釜的时间不超过2.5分钟。 

将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机103中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入口温度为100℃、中间温度为185℃、出口温度为220℃，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。悬浮液经过双螺杆挤出机的解缠、挤出制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶溶液经过计量泵104、具有400孔的喷丝板105(喷丝孔直径 0.8mm，长径比L/D为10/1)以1m/min的喷丝速度挤出进入温度为25℃的凝固水槽106使丝条定型，然后采用喷头拉伸机107对冻胶丝施加1.5倍的喷头拉伸得到冻胶丝。 

将冻胶丝采用120号溶剂油萃取后分别经过55℃和60℃两级干燥。 

将干燥后的冻胶丝进行三级热拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度为100℃、牵倍为2.5倍；第二级拉伸温度为120℃、牵倍为3.8倍；第三级拉伸温度为130℃、牵倍为4.4倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

对纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将结果列于表2。 

实施例2 

将石蜡油23kg在溶胀釜101内预热到118℃，再将8kg超高分子量聚乙烯粉末放到溶胀釜内与石蜡油混合进行第一次溶胀15分钟；第一次溶胀后，再将温度为98℃的第二份石蜡油69kg放到溶胀釜内进行第二次溶胀得到超高分子量聚乙烯悬浮液，第二次溶胀时间为30分钟，放入第二份石蜡油的同时，将溶胀釜的环境温度降到98℃。 

第二次溶胀过程进行到25分钟时，在溶胀釜101内施加0.3MPa的压力，第二次溶胀到达时间后，将悬浮液在压力的作用下送入温度为20℃的储料釜102内冷却，悬浮液送入储料釜的时间不超过3分钟。 

将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机103中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入口温度为105℃、中间温度为185℃、出口温度为225℃，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。悬浮液经过挤压溶解后被制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶溶液进行纺丝、萃取、干燥工序制成冻胶丝，其中，纺丝工艺、萃取工艺、干燥工艺与实施例1相同。 

将干燥后的冻胶丝进行三级热拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度为100℃、牵倍为2.5倍；第二级拉伸温度为120℃、牵倍为3.5倍；第三级拉伸温度为135℃、牵倍为4.3倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

对纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将结果列于表2。 

实施例3 

将石蜡油27kg在溶胀釜内预热到123℃，再将10kg超高分子量聚乙烯粉末放到溶胀釜内与石蜡油混合进行第一次溶胀15分钟；第一次溶胀后，再将温度为90℃的第二份石蜡油63kg放到溶胀釜进行第二次溶胀得到超高分子量聚乙烯悬浮液，第二次溶胀时间为32分钟，放入第二份石蜡油的同时，将溶胀釜的环境温度降到90℃。 

第二次溶胀过程进行到25分钟时，在溶胀釜101内施加1MPa的压力，第二次溶胀到达时间后，将悬浮液在压力的作用下送入温度为20℃的储料釜102内冷却，悬浮液送入储料釜的时间不超过3分钟。 

将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机103中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入口温度为107℃、中间温度为185℃、出口温度为225℃，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。悬浮液经过挤压溶解后被制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶溶液进行纺丝、萃取、干燥工序制成冻胶丝。其中，纺丝工艺、萃取工艺、干燥工艺与实施例1相同。 

将干燥后的冻胶丝进行三级热拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度为100℃、牵倍为2.8倍；第二级拉伸温度为120℃、牵倍为3.8倍；第三级拉伸温度为130℃、牵倍为4.3倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

对纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将结果列于表2。 

实施例4 

将石蜡油18kg在溶胀釜内预热到112℃，再8kg将超高分子量聚乙烯粉末放到溶胀釜内与石蜡油混合进行第一次溶胀12分钟；第一次溶胀后，再将温度为88℃的第二份石蜡油72kg放到溶胀釜第二次溶胀得到超高分子量聚乙烯悬浮液，第二次溶胀时间为30分钟，放入第二份石蜡油的同时，可以将溶胀釜的环境温度降到88℃。 

第二次溶胀过程进行到25分钟时，在溶胀釜101内施加0.2MPa的压力，第二次溶胀到达时间后，将悬浮液在压力的作用下送入温度为20℃的储料釜102内冷却，悬浮液送入储料釜的时间不超过3min。 

将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机103中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入口温度为104℃、中间温度为185℃、出口温度为175，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。悬浮液经过挤压溶解后被制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶溶液进行纺丝、萃取、干燥工序制成冻胶丝，其中，纺丝工艺、萃取工艺、干燥工艺与实施例1相同。 

将干燥后的冻胶丝进行三级热拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度为100℃、牵倍为2.5倍；第二级拉伸温度为120℃、牵倍为3.5倍；第三级拉伸温度为130℃、牵倍为4.2倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

对纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将结果列于表2。 

实施例5 

将石蜡油22.5kg在溶胀釜101内预热到118℃，再将10kg超高分子量聚乙烯粉末放到溶胀釜内与石蜡油混合进行第一次溶胀16分钟；第一次溶胀后，再将温度为95℃的第二份石蜡油67.5kg放到溶胀釜内第二次溶胀得到超高分子量聚乙烯悬浮液，第二次溶胀时间为32分钟，放入第二份石蜡油的同时，可以将溶胀釜的环境温度降到95℃。 

第二次溶胀过程进行到25分钟时，在溶胀釜101内施加0.2MPa的压力，第二次溶胀到达时间后，将悬浮液在压力的作用下送入温度为20℃的储料釜102内冷却，悬浮液送入储料釜的时间为3分钟。 

将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机103中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入温度为108℃、中间温度为190℃、出口温度为225℃，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。悬浮液经过挤压溶解后被制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶溶液进行纺丝、萃取、干燥工序制成冻胶丝，其中，纺丝工艺，萃取工艺、干燥工艺与实施例1相同。 

将干燥后的冻胶丝进行三级热拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度为100℃、牵倍为2.2倍；第二级拉伸温度为120℃、牵倍为3.5倍；第三级拉伸温度为130℃、牵倍为4.3倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

对纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将结果列于表2。 

实施例6 

将28.5kg石蜡油在溶胀釜内预热到115℃，再将5kg超高分子量聚乙烯粉末放到溶胀釜内与石蜡油混合进行第一次溶胀15分钟；第一次溶胀后，再将温度为90℃的第二份石蜡油66.5kg放到溶胀釜进行第二次溶胀得到超高分子量聚乙烯悬浮液，第二次溶胀时间为35分钟，放入第二份石蜡油的同时，将溶胀釜的环境温度降到90℃。 

第二次溶胀过程进行到30分钟时，在溶胀釜101内施加0.2MPa的压力，第二次溶胀过程到达时间后，将悬浮液在压力的作用下送入温度为20℃的储料釜101内冷却，悬浮液送入储料釜的时间为3分钟。 

将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机103中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入口温度为100℃、中间温度为185℃、出口温度为170℃，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。悬浮液经过双螺杆挤出机的解缠、挤出制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶丝溶液进行纺丝、萃取、干燥工序制成冻胶丝，其中，纺丝工艺、萃取工艺、干燥工艺与实施例1相同。 

将干燥后的冻胶丝进行三级热拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度100℃、牵倍为2.5倍；第二级拉伸温度120℃、牵倍为3.5倍；第三级拉伸温度为130℃、牵倍为4倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

实施例7 

将92kg石蜡油在溶胀釜内预热到120℃，再将8kg超高分子量聚乙烯放到溶胀釜内与石蜡油混合溶胀40分钟得到悬浮液。在溶胀过程进行到35分钟时，在溶胀釜内施加0.3MPa的压力，溶胀到达时间后，将悬浮液在压力的作用下送入温度为20℃的储料釜101内冷却，悬浮液送入储料釜的时间为3分钟。 

将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机103中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入口温度为105℃、中间温度为185℃、出口温度为175℃，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。 悬浮液经过双螺杆挤出机的解缠、挤出制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶丝溶液进行纺丝、萃取、干燥工序制成冻胶丝，其中，纺丝工艺、萃取工艺、干燥工艺与实施例1相同。 

将干燥后的冻胶丝进行三级热拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度为100℃、牵倍为2.5倍；第二级拉伸温度为120℃、牵倍为3.5倍；第三级拉伸温度为130℃、牵倍为4.2倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

对纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将结果列于表2。 

比较例1 

将5kg超高分子量聚乙烯粉末放到溶胀釜内与95kg石蜡油在130℃的温度下混合溶胀20分钟制得超高分子量聚乙烯悬浮液。将悬浮送入双螺杆挤出机中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入口温度为100℃、中间温度为185℃、出口温度为165℃，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。悬浮液经过双螺杆的解缠、挤出制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶纺丝溶液进行纺丝、萃取、干燥工序制成冻胶丝，其中，纺丝工艺、萃取工艺、干燥工艺与实施例1相同。 

将干燥后的冻胶丝进行三级拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度为100℃、牵倍为2.5倍；第二级拉伸温度为120℃、牵倍为3.5倍；第三级拉伸温度为130℃、牵倍为4倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

对纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将结果列于表2。 

比较例2 

将8kg超高分子量聚乙烯粉末放到溶胀釜内与92kg石蜡油在120℃的温度下混合溶胀25分钟制得超高分子量聚乙烯悬浮液。将悬浮液送入双螺杆挤出机中进行大分子的解缠。其中，双螺杆挤出机的送入口温度为105℃、中间挤压溶解温度为185℃、出口温度为165℃，在双螺杆挤出机内停留的时间为5分钟，双螺杆挤出机旋转速度为180r/min。悬浮液经过双螺杆挤出机的解缠、挤出制成透明的冻胶溶液。 

将冻胶溶液进行纺丝、萃取、干燥工序制成冻胶丝，其中，纺丝工艺、萃取工艺、干燥工艺与实施例1相同。 

将干燥后的冻胶丝进行三级拉伸，具体工艺为：第一级拉伸温度为100℃、牵倍为2.5倍；第二级拉伸温度为120℃、牵倍为3.5倍；第三级拉伸温度为130℃、牵倍为4.2倍。冻胶丝经过三级拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。 

对纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将结果列于表2。 

表2超高分子量聚乙烯纤维实施例和比较例性能对照表 

从以上叙述可以看出，在对超高分子量聚乙烯进行溶胀的过程中，通过严格控制溶胀时间，可以制备均匀的纺丝溶液，从而在制备超高分子量聚乙烯纤维时，在不同的拉伸工艺下，纤维的稳定性都得到很大提高。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的制备方法，包括以下步骤：

a)将超高分子量聚乙烯粉末与溶剂放在温度为70℃～150℃的溶胀釜内搅拌溶胀20分钟～200分钟得到悬浮液，所述悬浮液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为4％～25％，所述溶剂为室温下是液体的碳氢化合物；

b)将所述悬浮液在不超过10分钟的时间内送入储料釜，将悬浮液在储料釜内冷却到室温；

c)将冷却后的悬浮液送入双螺杆挤出机挤压溶解得到超高分子量聚乙烯溶液；

其中，所述步骤a)包括：

a1)将所述溶剂分为第一质量份M₁和第二质量份M₂，M₁与M₂的质量比为20～30∶80～70，将M₁在溶胀釜内预热到100℃～120℃，然后将超高分子量聚乙烯粉末与M₁混合进行第一次溶胀，第一次溶胀时间为5分钟～20分钟；

a2)将M₂预热到70℃～100℃与初步溶胀后的超高分子量聚乙烯和M₁混合进行第二次溶胀得到悬浮液，进行步骤b)，第二次溶胀时间为15分钟～40分钟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤b)为：将所述悬浮液在不超过5分钟的时间内送入储料釜，将悬浮液在储料釜内冷却到室温。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步骤a)中，在溶胀过程完成之前，在溶胀釜内施加不超过0.5MPa的压力。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤a)中，在溶胀过程完成之前，在溶胀釜内施加不超过0.3MPa的压力。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述溶剂选自四氢化萘、十氢化萘、煤油、石蜡油或石蜡中的一种或几种。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述溶剂为分子量为40～1000的石蜡油。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述悬浮液中超高分子量聚乙烯的重量百分比为6％～15％。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步骤c)具体为将所述悬浮液喂入双螺杆挤出机进行挤压溶解制得纺丝溶液，所述悬浮液喂入双螺杆挤出机的入口温度为85℃～120℃，中间挤压溶解的温度120℃～230℃，出口温度为200℃～260℃，双螺杆挤出机的旋转速度为30r/min～300r/min。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述M₁与M₂的质量比为22～28∶78～72。

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