CN101629331B - 一种超高分子量聚乙烯纤维牵伸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超高分子量聚乙烯纤维牵伸方法，包括步骤：将待拉伸的超高分子量聚乙烯原丝(110)依次喂入第一牵伸机(101)、第二牵伸机(102)，所述第一牵伸机对原丝施加牵倍Q₁为1倍～60倍的牵伸，所述第二牵伸机对原丝施加牵倍Q₂为1倍～60倍的牵伸后得到超高分子量聚乙烯纤维，所述第一牵伸机和第二牵伸机由驱动装置(103)通过传动轴(104)加载。本发明通过对超高分子量聚乙烯原丝进行两级连续拉伸制备聚乙烯纤维，由于本发明通过同一个驱动装置由传动轴对两个拉伸机同时传递载荷，因此两台牵伸机在对纤维进行拉伸时，牵引辊的旋转比是固定的，可以保持固定的拉伸比，不但有利于控制拉伸工艺，而且提高拉伸效率。

Description

一种超高分子量聚乙烯纤维牵伸方法 

技术领域

本发明涉及纤维牵伸方法，具体涉及超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)牵伸方法。 

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。 

超高分子量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备超高分子量聚乙烯纤维的专利(US4344908、特公昭64-8732、US4422993)。冻胶纺丝技术又称凝胶纺丝技术，是指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得到冻胶原丝，采用萃取工艺将溶剂去除，干燥后，经过30倍～160倍的超倍热拉伸得到高强、高模聚乙烯纤维。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，因此制备出的聚乙烯纤维具有非常高的强度和模量，耐冲击性能优异，应用比较广泛。 

在冻胶纺丝技术中，通常使用双螺杆挤出机将纺丝溶液中的大分子进行解缠，然后通过喷丝板成型后骤冷使纺丝细流中的大分子仍基本上保持这种低缠结状态，同时对聚乙烯施加一定牵倍的喷头拉伸得到超高分子量冻胶原丝，为超倍热拉伸奠定基础。超倍热拉伸是制备超高分子量聚乙烯的关键环节，在超倍热拉伸的过程中，聚乙烯大分子由折叠链向伸直链发生变化，伸直链之间相互靠拢，彼此之间增加作用力增加，提高纤维的强度和模量。 

一般认为，超高分子量聚乙烯纤维的性能随着拉伸比和拉伸温度的提高而增加，因此通常采用两级或两级以上的多级拉伸工艺制备超高分子量聚乙烯纤维，随着拉伸温度的不断提高，拉伸比也不断增加。请参见图3，为现有技术牵伸聚乙烯纤维的方法，超高分子量聚乙烯原丝310依次经过第一牵伸机301、第二牵伸机302的两级拉伸，第一牵伸机包括牵引辊组301a、电机驱动装置301b，第二牵伸机包括牵引辊组302a、电机驱动装置302b。由于每个牵伸机是独立驱动的，而且在实际生产中，需要对至少十几束、甚至多达上百束的纤维同时进行拉伸。例如当第一牵伸机对纤维施加Q倍的牵伸后，第二牵伸机再对纤维施加牵伸时，由于纤维上的巨大拉力，会使第一牵伸机实际的牵倍数降低，达不到Q倍，甚至出现打滑的现象。显然，这不利于控制拉伸比，导致工艺不可控，而且还存在牵伸效率低下的问题。

因此，需要一种能够控制拉伸比的超高分子量聚乙烯纤维的牵伸方法。 

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种牵伸比可控的超高分子量聚乙烯纤维的牵伸方法。 

为解决以上技术问题，本发明提供一种超高分子量聚乙烯纤维牵伸方法，包括步骤： 

a1)将待拉伸的超高分子量聚乙烯原丝通过温度为70℃～160℃的第一热甬道加热后依次喂入第一牵伸机、第二牵伸机，所述第一牵伸机对原丝施加牵倍Q₁为1倍～60倍的牵伸，所述第二牵伸机对原丝施加牵倍Q₂为1倍～60倍的牵伸后得到超高分子量聚乙烯纤维，所述第一热甬道的长度的米数L1与第一牵伸机的牵倍Q1满足如下的关系：0.8Q1≤L1≤2.0Q1，所述第一牵伸机和第二牵伸机由驱动装置通过传动轴加载。 

优选的，所述传动轴包括传递载荷的第一啮合构件和第二啮合构件，所述第一牵伸机包括与所述第二啮合构件相啮合的第三啮合构件，所述第二牵伸机包括与所述第一啮合构件相啮合的第四啮合构件。 

优选的，所述步骤a1)前还包括步骤： 

a0)将萃取后的超高分子量聚乙烯原丝喂入温度为50℃～70℃的干燥装置进行干燥，所述干燥装置包括导丝辊组，所述导丝辊组由驱动装置通过传动轴施加载荷。 

优选的，所述第一热甬道的长度的米数L₁与第一牵伸机的牵倍Q₁满足下面的关系：0.5Q₁≤L₁≤1.5Q₁。 

优选的，所述第二牵伸机的牵倍Q₂小于第一牵伸机的牵倍Q₁。 

优选的，将所述第一牵伸机牵伸后的超高分子量聚乙烯原丝喂入温度为70℃～160℃的第二热甬道加热后再喂入第二牵伸机，所述第二热甬道的长度L₂与第一热甬道的长度L₁满足如下的关系：1.1L₁≤L₂≤3L₁。 

本发明提供一种超高分子量聚乙烯纤维牵伸方法，通过对超高分子量聚乙烯原丝进行连续拉伸制备聚乙烯纤维，由于本发明通过同一个驱动装置由传动轴对两个拉伸机同时传递载荷，因此两台牵伸机在对纤维进行拉伸时，牵引辊的旋转比是固定的，也就是可以保持固定的拉伸比，不但有利于控制拉伸工艺，而且提高拉伸效率。本发明提供的传动轴分别与两个牵伸机形成啮合结构对两个牵伸机加载，由于啮合结构传送比稳定，因此有利于保持固定的拉伸比。 

本发明通过进一步提供第一热甬道和第二热甬道对聚乙烯原丝进行预热，并且第二牵伸机对原丝的牵倍小于第一牵伸机对原丝的牵倍。当第一牵伸机对原丝进行较大倍数的拉伸后，在原丝内部产生内应力，当经过第二甬道加热后再由第二牵伸机进行牵伸时，由于第二热甬道的长度大于第一热甬道的长度，但是原丝在这一阶段的牵倍小，因此原丝的内应力在第二热甬道内会得到有效的释放，有利于提高最终纤维的力学性能。 

附图说明

图1是本发明第一种实施方式中牵伸装置示意图； 

图2是本发明第二种实施方式中牵伸装置示意图； 

图3是现有技术中牵伸装置示意图。 

具体实施方式

本发明提供一种超高分子量聚乙烯纤维的牵伸方法，包括步骤： 

a1)将待拉伸的超高分子量聚乙烯原丝依次喂入第一牵伸机、第二牵伸机，所述第一牵伸机对原丝施加牵倍Q₁为1倍～60倍的牵伸，所述第二牵伸机对原丝施加牵倍Q₂为1倍～60倍的牵伸后得到超高分子量聚乙烯纤维，所述第一牵伸机和第二牵伸机由驱动装置通过传动轴加载。 

参见图1，为本发明连续拉伸超高分子量聚乙烯纤维装置的第一种实施方式。从图1中可知，该实施例的装置包括第一牵伸机101、第二牵伸机102、驱动电机103、传动轴104、干燥装置105、第一热甬道106、第二热甬道107。 

其中，第一牵伸机101包括第三啮合构件101a、为了对牵伸机进行加载，这里的第三啮合构件为锥形齿轮101a。在对原丝进行拉伸时，需要根据工艺调整第一牵伸机上的牵引辊101d的转速来对原丝进行不同倍率的拉伸，所以第一牵伸机还包括变速箱101b，变速箱可以采用齿轮变速等本领域技术人员熟知的变速机构。经过变速后，再通过齿轮传动副101c带动通过轴承101e固定在牵伸箱上的牵引辊101d旋转实现对原丝的拉伸，本实施例采用五辊牵伸结构。在本发明中，牵引辊的数量不受限制，可以根据不同要求来决定牵引辊的数量，由于牵伸辊数量越多，越有利于牵伸效率的提高，但是牵引辊过多时，负载过大，不利于牵伸，因此可以采用多级牵伸的方式。 

为了实现多级拉伸，本实施例提供了第二牵伸机102，第二牵伸机具有和第一牵伸机相同的结构，包括第四啮合构件即锥形齿轮102a。 

由于超高分子量聚乙烯原丝一般在70℃～160℃的温度进行拉伸，因此在拉伸前，需要对其进行加热，因此本实施例的制备超高分子量聚乙烯纤维的装置还包括第一热甬道106和第二热甬道107。本发明中的热甬道是指本领域人员熟知的对连续运行的纤维进行预热的通道，可以为长形的管子、箱体、圆筒等，在其中通入为纤维加热的高温气体，可以为水蒸气、氮气、氩气等不会和原丝发生化学反应的气体。对于热甬道的界面形状，本发明并无特别的限制，可以为矩形、梯形、圆形、椭圆形、三角形或其他已知的形状。在本实施例中，热甬道为只有原丝的进口和出口的密闭的箱体，在箱体内通入为原丝进行加热的热氮气，为了便于控制拉伸工艺，热甬道的长度可以根据工艺的需要进行调整。 

本实施例中提供了两级热拉伸，但是由于拉伸纤维的级数越多，原丝变形越缓和，就越有利于提高纤维的性能，因此在允许的情况下，应尽可能提高拉伸的级数，因此对于牵伸机和热甬道的数量，本发明并无具体的限制。但是拉伸级数越多，成本越高，因此，比较优选的方案是采用三级拉伸。 

在对超高分子量聚乙烯原丝进行拉伸前，需要对原丝进行干燥处理，因 此本实施例中的装置还包括干燥装置105，它包括第六啮合构件即锥形齿轮105a、导丝辊105d，干燥箱105e，传动结构与牵伸机相同。对原丝进行干燥的主要目的是去除原丝中的挥发性溶剂，因此对原丝进行干燥时，在干燥箱内通入加热气体，可以为氮气或氩气等，同时采用抽风系统将溶剂去除。另外，在干燥时，对原丝可以不用施加牵伸，因此导丝辊只起到导丝的作用。 

本实施例制备超高分子量聚乙烯纤维的装置还包括电机103、和将电机的载荷传递给牵伸机和干燥装置的传动轴104，传动轴104包括第一啮合构件即锥形齿轮104a、第二锥形齿轮104b、第三锥形齿轮104c，第一锥形齿轮104a和第二牵伸机的第四锥形齿轮102a啮合形成齿轮副，对第二牵伸机传递载荷；第二锥形齿轮104b和第一牵伸机的第三锥形齿轮101a啮合形成齿轮副，对第第一牵伸机传递载荷；第三锥形齿轮104c和干燥装置的锥形齿轮105a啮合形成齿轮副，对干燥装置的齿轮变速箱传递载荷。 

将超高分子量聚乙烯原丝110按照图1中箭头所示的方向依次喂入干燥装置105、第一热甬道106、第一牵伸机101、第二热甬道107、第二牵伸机102机进行干燥和热拉伸后制得超高分子量聚乙烯纤维。由于第一牵伸机101和第二牵伸机102全都通过传动轴104由电机103传递载荷采用齿轮副结构传递载荷，因此，在牵伸的过程中，可以保持固定的牵伸比，可以准确控制牵伸工艺。并且，干燥装置105也由传动轴103传递载荷，因此有利于降低功耗。 

很显然，为了达到本发明的目的，当进行三级或三级以上的拉伸时，可以在传动轴上装有多个啮合结构用于传递载荷；另外，对于传动轴的具体实现方式，也可以有多种，可以采用多段短轴和齿轮配合的形式传递载荷，本发明对此并无具体限制。 

参见图2，为本发明连续拉伸超高分子量聚乙烯纤维装置的另一种实施方法。从图1中可知，与第一种实施方式相比的区别在于，在本实施方式中，考虑到实际工作环境的限制，当需要多级拉伸时，只用一根传动轴将载荷传递给多个牵伸装置和干燥装置可能会降低装置的稳定性。 

在本实施方式中，传动轴包括第一传动轴104，第二传动轴108，第三传动轴109。其中，第一传动轴104包括锥形齿轮104a，锥形齿轮104a与第二 牵伸机的锥形齿轮102a相啮合形成齿轮副，电机103通过齿轮102a将载荷传递给第二牵伸机。 

第二传动轴108包括第一锥形齿轮108a和第二锥形齿轮108b，第一锥形齿轮108a与第二牵伸机的锥形齿轮102a相啮合，第二锥形齿轮108b与第一牵伸机的锥形齿轮101a相啮合，第二传动轴将载荷传递给第一牵伸机。 

第三传动轴109包括第三锥形齿轮109a和第四锥形齿轮109b，第三锥形齿轮109a与第一牵伸机的锥形齿轮101a相啮合，第四锥形齿轮109b与干燥装置的锥形齿轮105a相啮合，第三传动轴将载荷传递给干燥装置。 

在第二种实施方式中，由于提供了多个传动轴，因此可以避免单个传动轴出现的稳定性下降的问题。 

按照本发明，待拉伸的超高分子量聚乙烯原丝是指超高分子量聚乙烯溶液经过冻胶成型、萃取、干燥后得到的原丝。为了实现本发明的目的，在对原丝进行萃取时，选用的萃取剂所用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，可以选用己烷、庚烷、甲苯、氯甲烷、溶剂油等作为萃取剂，优选的，选用溶剂汽油作为萃取剂。聚乙烯纤维冻胶丝经过萃取后，在40℃～80℃的温度范围内对其进行干燥使萃取剂挥发制得超高分子量聚乙烯纤维原丝。 

原丝经过干燥后，将其依次喂入第一热甬道、第一牵伸机。第一热甬道的温度可以为70℃～160℃，第一牵伸机可以对原丝施加1倍～60倍的牵伸。优选的，第一热甬道的温度为80℃～100℃，第一拉伸机对原丝进行3倍～15倍的拉伸。 

对原丝完成第一级拉伸之后，由于原丝中的大分子链高度取向并发生了很大的塑性变形，因此会产生与牵伸力反向作用的内应力，这种内应力不但会降低下一级的拉伸效果而且还会降低最终纤维的强度等力学性能。为了减小内应力对原丝的作用，在原丝经过第一牵伸机的牵伸后，再经过温度为温度为70℃～160℃的第二热甬道由第二牵伸机对原丝进一步拉伸制成超高分子量聚乙烯纤维。优选的，第二热甬道的温度为105℃～160℃，更优选的，第二热甬道的温度为115℃～140℃。本发明提供的第二热甬道的长度大于第 一热甬道的长度，而第二牵伸机的对原丝施加的牵倍小于第一牵伸机对原丝施加的牵倍，这样纤维的受到的内应力在长距离、相对牵倍小的情况下进行拉伸时，可以有效减小或消除上一级牵伸产生的应力。 

按照本发明，在对原丝进行牵伸时，需要选择合适的热甬道长度，热甬道的长度与原丝的变形量有着密切的关系，而原丝的变形量主要是靠牵倍来决定的，本文中，热甬道的长度单位为米，牵倍无量纲。第一热甬道的长度的米数L₁与第一牵伸机对原丝施加的牵倍Q₁需要满足0.5Q₁≤L₁≤2.0Q₁的关系，更优选的，第一热甬道的长度米数L₁与第一牵伸机对原丝施加的牵倍Q₁需要满足0.8Q≤L₁≤1.5Q的关系。例如，当第一牵伸机为原丝施加2倍牵伸的时候，那么第一热甬道的长度的米数L1应该满足(0.5×2＝1)≤L₁≤(2.0×2＝4)，优选的，(0.8×2＝1.6)≤L₁≤(1.5×2＝3)；即第一热甬道的长度为1米～2.4米，优选的，长度为1.6米～3米。热甬道长度过短，原丝停留时间短，因此拉伸可能会损伤纤维，热甬道时间过长，牵伸效率变低，效果不好。第二热甬道的长度米数L₂与第一热甬道的长度米数L₁满足如下的关系：1.1L₁≤L₂≤3L₁，优选的，第二热甬道的长度的米数L₂与第一热甬道的长度的米数L₁满足1.2L₁≤L₂≤2L₁。 

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)。 

按照本发明，为了评价拉伸对纤维力学性能均匀性的影响，本发明采用下面的方法处理测试结果： 

每个试样的性能值：取X₁，X₂，…X_n共n个试样的性能值； 

试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，其他符号同公式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，其他符号同公式2。 

为进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述。 

实施例 

为了更好的比较拉伸效果，在以下的实施例和比较例中都以下述相同的工艺制备超高分子两聚乙烯纤维冻胶丝，然后在不同的拉伸条件下比较试验结果。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80μ～120μ，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。 

将超高分子量聚乙烯、石蜡油及0.5％的抗氧剂2，6-二叔丁苯酚混合溶胀，再送入双螺杆挤出机挤压溶解制成超高分子量聚乙烯重量百分比为8％的透明的冻胶纺丝溶液。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纺丝溶液。 

再将冻胶纺丝溶液经计量泵、喷丝组件从具有400孔的喷丝板中以1m/min的喷丝速度挤出进入凝固水槽，施加1.5倍的喷头拉伸得到凝固丝条，其中喷丝板孔径为0.8mm，长径比L/D为10/1，将凝固丝条采用120号溶剂油萃取后，进行以下实施例的实验。 

实施例1 

使用图1所示的牵伸装置，将萃取后的超高分子量聚乙烯原丝喂入干燥装置105在55℃内进行干燥后，再依次喂入第一热甬道106、第一牵伸机101、第二热甬道107、第二牵伸机102进行两级牵伸得到超高分子量聚乙烯纤维。其中第一热甬道的温度为100℃，长度为8.2米；第二热甬道的温度为125℃，长度为11.8米。第一牵伸机对原丝施加5.5倍的牵伸，第二牵伸机对原 丝施加4.8倍的牵伸。 

将纤维取样进行力学性能测试，每次取十个样，结果取平均值，将得出和计算后的结果列于表2。 

实施例2～实施例7与实施例1采用同样的装置进行了两级拉伸，工艺参数见表1，测试和计算结果见表2。 

表1 超高分子量聚乙烯纤维制备工艺参数表 

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冻胶丝进行多级拉伸的过 程中，通过延长后一级牵伸的热甬道的长度，而降低后一级牵伸的倍数，可以有效改善纤维的拉伸性，提高纤维的力学性能。随着拉伸级数的增加，纤维的力学性能会增加。 

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 (6)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维牵伸方法，包括步骤：

a1)将待拉伸的超高分子量聚乙烯原丝(110)通过温度为70℃～160℃的第一热甬道加热后依次喂入第一牵伸机(101)、第二牵伸机(102)，所述第一牵伸机对原丝施加牵倍Q₁为1倍～60倍的牵伸，所述第二牵伸机对原丝施加牵倍Q₂为1倍～60倍的牵伸后得到超高分子量聚乙烯纤维，所述第一热甬道的长度的米数L1与第一牵伸机的牵倍Q1满足如下的关系：0.8Q1≤L1≤2.0Q1，所述第一牵伸机和第二牵伸机由驱动装置(103)通过传动轴(104)加载。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述传动轴(104)包括传递载荷的第一啮合构件(104a)和第二啮合构件(104b)，所述第一牵伸机(101)包括与所述第二啮合构件(104b)相啮合的第三啮合构件(101a)，所述第二牵伸机(102)包括与所述第一啮合构件(104a)相啮合的第四啮合构件(102a)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤a1)前还包括步骤：

a0)将萃取后的超高分子量聚乙烯原丝喂入温度为50℃～70℃的干燥装置(105)进行干燥，所述干燥装置包括导丝辊组(105d)，所述导丝辊组由驱动装置(103)通过传动轴(104)施加载荷。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一热甬道的长度的米数L₁与第一牵伸机的牵倍Q₁满足下面的关系：0.5Q₁≤L₁≤1.5Q₁。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二牵伸机的牵倍Q₂小于第一牵伸机的牵倍Q₁。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在将第一牵伸机牵伸后的超高分子量聚乙烯原丝喂入温度为70℃～160℃的第二热甬道加热后再喂入第二牵伸机，所述第二热甬道的长度L₂与第一热甬道的长度L₁满足如下的关系：1.1L₁≤L₂≤3L₁。

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