CN101684572B

CN101684572B - 一种冻胶纺丝用喷丝组件

Info

Publication number: CN101684572B
Application number: CN2008101614715A
Authority: CN
Inventors: 周成程
Original assignee: Ningbo Rongyi Chemical Fiber Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Yang Zhenfen
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2028-09-27
Also published as: CN101684572A

Abstract

本发明公开一种冻胶纺丝用喷丝组件，包括：喷丝头框体；设置在该喷丝头框体内部的纺丝液流路；纺丝原液供给口，设置于所述喷丝头框体，且向上述纺丝原液流路供给纺丝原液；喷丝头，安装于上述喷丝头框体，间隔排列设置有多个喷出所述纺丝原液流路内的纺丝原液的喷丝孔；多孔板，设置在所述纺丝原液流路中使纺丝原液分散，所述多孔板的流通孔壁具有螺旋沟槽。由于多孔板具有缓冲纺丝原液的作用，可以减少纺丝原液喷出状态的差异，而螺旋沟槽有可以减小超高分子量聚乙烯纺丝原液在流通孔内由于受到较大摩擦力而出现的流出不均问题。因此本发明提供的喷丝组件可以使纺丝原液均匀、稳定地从喷丝头内喷出，有利于制备性能稳定的超高分子量聚乙烯纤维。

Description

一种冻胶纺丝用喷丝组件

技术领域

本发明涉及喷丝组件，具体涉及冻胶纺丝用喷丝组件。

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(ECPE)聚乙烯纤维，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(Kevlar)纤维之后的第三代高性能纤维。

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(US4344908、特公昭64-8732、US4422993)。冻胶纺丝工艺又称为凝胶纺丝工艺，该方法先将超高分子量聚乙烯放在合适的溶剂内进行适度的溶胀制成悬浮液，然后将悬浮液在螺杆挤出机中进行混炼，使超高分子量聚乙烯大分子得到解缠以制备出均匀的纺丝溶液。制备出均匀的纺丝溶液后采用喷丝组件使超高分子量聚乙烯成型得到初生丝条，然后对初生丝条进行凝固、冷却得到冻胶丝，再经过喷头拉伸、萃取、干燥、超倍热拉伸得到超高分子量聚乙烯纤维。

初生丝条的成形质量是决定超高分子量聚乙烯纤维性能的主要因素。由于初生丝条的缺陷会被后续的干燥工序，尤其是超倍热拉伸工序所放大，并由最终得到的超高分子量聚乙烯纤维所继承，因此得到稳定、均一的初生丝条是丝条成形工序的主要任务。影响初生丝条成形质量的因素包括很多种，例如纺丝原液的均匀性、纺丝条件以及喷丝组件的结构。喷丝组件决定了丝条的成型，通常情况下，喷丝组件具有一个带有多个喷丝孔的喷丝头以及安装喷丝头的喷丝头框体，当纺丝原液喂入喷丝头内以后，穿过喷丝孔进行成型。由于超高分子量聚乙烯具有很高的分子量，因此具有很高的粘度，在喷丝头框体内，靠近喷丝头外周边的纺丝原液与喷丝头中心的纺丝原液相比距离喷丝头框体侧壁更近，受到的摩擦力更大，这就导致了喷丝头中心侧和周边侧具有不同的喷丝速度，因此会影响丝条的均一性，严重的时会使喷丝头周边侧的丝条经常产生断丝的问题，影响了工艺的连续性。

中国发明专利申请CN1973065A公开了一种干湿式纺纱用喷丝装置，为了解决纺丝原液的均匀喷出问题，其提供的喷丝装置包括一个喷丝头框体、设置在喷丝头框体内的流路、安装在喷丝头框体内的喷丝头、安装在喷丝头框体内使纺丝原液分流的多孔板。所述多孔板具有多个纺丝原液通过的流通孔，由于流通孔的存在，纺丝原液在喷丝头框体内先进行了缓冲分流，因此减小了喷丝头周边和中心的纺丝原液喷丝速度的差异。

但由于该专利提供的喷丝组件是用于聚丙烯腈纤维的纺丝工艺的，由于聚丙烯腈的分子量一般在(1～2)×10⁵之间，低于超高分子量聚乙烯的分子量，具有较低的粘度，因此该喷丝组件用于超高分子量聚乙烯纤维的纺丝工艺时，粘度较大的超高分子量聚乙烯纤维在多孔板的流通孔内受到了来自流通孔侧壁的较大的摩擦力，不利于纺丝原液的顺利喷出，如果通过扩大流通孔的直径则会导致原液流出量增大，则减小了多孔板的分流作用。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种可以使纺丝原液均匀喷出的冻胶纺丝用的喷丝组件。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种冻胶纺丝用的喷丝组件，包括：喷丝头框体；设置在该喷丝头框体内部的纺丝原液流路；纺丝原液供给口，设置于所述喷丝头框体，且向上述纺丝原液流路供给纺丝原液；喷丝头，安装在所述喷丝头框体内，间隔排列设置有多个喷出所述纺丝原液流路内的纺丝原液的喷丝孔；多孔板，设置在所述纺丝原液流路中使纺丝原液分散，所述多孔板的流通孔壁上具有呈螺旋线延伸的沟槽。

优选的，所述沟槽的螺旋线的导程角为40度～60度。

优选的，所述多孔板朝向喷丝头的下表面有多个突起。

优选的，所述突起的高度为1mm～4mm。

优选的，所述突起为圆锥形。

优选的，所述喷丝孔具有一个漏斗部和与漏斗部连接的主体部。

所述主体部具有直径(D)和长度(L)，所述长度(L)与直径(D)的比值为2/1～5/1。

优选的，所述多孔板朝向喷丝头的下表面与喷丝板的距离为3mm～5mm。

优选的，其特征在于所述突起的顶端与喷丝头之间的距离为2mm～4mm。

本发明提供一种冻胶纺丝用喷丝组件，用于制备超高分子量聚乙烯纤维。本发明提供的喷丝组件中包括一个用于分散纺丝原液的多孔板，所述多孔板的孔壁上具有呈螺旋线延伸的沟槽。由于超高分子量聚乙烯纺丝原液的粘度大，因此在多孔板的流通孔内受到的大摩擦力会减小其流动性，造成原液的流出不均，而螺旋形沟槽可以减小纺丝原液在流通孔内受到的摩擦力，使纺丝原液均匀、稳定的流出，并且螺旋形沟槽还具有推动作用，也有利于纺丝原液均匀、稳定的流出。因此可防止从位于喷丝头面外周侧的纺丝孔喷出的单纤维的断线的发生，避免纤维束的单纤维制件的纤度不均或者产生毛刺。有利于制备性能稳定的超高分子量聚乙烯纤维。

本发明进一步在多孔板朝向喷丝头的下表面上提供多个突起，所述突起在纺丝原液穿过多孔板时，可以在纺丝原液释放在流通孔内受到的应力时避免使多孔板和喷丝头之间的纺丝原液产生紊乱，因此可以防止位于喷丝头中心侧的纺丝孔和位于喷丝头外周侧的纺丝孔之间产生纺丝原液的喷出不均。

附图说明

图1是本发明提供的喷丝组件第一种具体实施方式示意图；

图2是图1中多孔板的示意图；

图3是图1中喷丝孔的示意图；

图4是图1中多孔板内的纺丝原液产生的膨胀部的示意图；

图5是本发明提供的带有突起的多孔板的示意图；

图6是安装了图5的多孔板的喷丝组件的示意图；

图7是图6中的突起的工作效果示意图。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式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的限制。

请参见图1～图3，为本发明提供的冻胶纺丝用喷丝组件第一种具体实施方式的示意图。喷丝组件包括一个喷丝头框体11，喷丝头横截面为圆形；在喷丝头框体11内部设置有纺丝原液流路12，在喷丝头框体的一端有向纺丝原液流路12中供给纺丝原液的纺丝原液供给口13，在喷丝头框体上与纺丝原液相对一端安装有喷丝头14，喷丝头14上分布着多个喷丝孔14a，喷丝头14的下表面14b朝向凝固浴槽内的凝固液的液面。

喷丝头框体11包括：在上表面和下表面上具有敞开部的下部接头11a，安装于下部接头11a上表面的敞开部的上部接头11b，安装于下部接头11a下表面的敞开部的喷丝头14。在上部接头11b上设置有纺丝原液供给口13。

为了减少或消除纺丝原液喷出状态的差异，喷丝组件中包括一个多孔板15，多孔板设置在喷丝头框体11内的纺丝液流路12中。在多孔板的整个面上具有均匀设置的多个流通孔15a，如图2所示，通过在整个多孔板的整个面上均匀设置的多个流通孔15a，纺丝原液不会局部地滞留，而是均匀地流动。

多孔板15上的流通孔的直径可以为1mm～10mm，优选的，流通孔的直径为2mm～5mm。多孔板的厚度可以为10mm～30mm，优选的，多孔板的厚度可以为15mm～25mm。

在多孔板15的流通孔15a的孔壁上，本发明提供了螺旋形的沟槽15b，如图2所示，所述螺旋形沟槽15b的导程角可以为40度～60度，优选的，螺旋形沟槽的导程角为45度～60度。螺旋形沟槽的深度可以为0.2mm～1mm，优选的，螺旋形沟槽的深度为0.4mm～0.6mm。在本具体实施方式中，螺旋形沟槽的深度为0.5mm，导程角约为50度。由于流通孔内具有螺旋形的沟槽，因此可以减小超高分子量聚乙烯纺丝原液在流通孔内受到的较大摩擦力，超高分子量聚乙烯纤维纺丝原液在螺旋形沟槽的作用下更加容易地从流通孔内均匀流出，而且螺旋形沟槽对纺丝原液的向下流出具有推动作用，也可以有效地减小摩擦力。

喷丝头框体内的喷丝头14和多孔板15之间的间隙可以为3mm～5mm，更优选的，所述间隙为4mm～5mm，在间隙不足3mm的情况下，从多孔板15供给到喷丝头14并从多个纺丝孔14a喷出的纺丝原液容易产生局部的流出不均，此外，局部的纺丝原液容易滞留。另一方面，在间距超过5mm的情况下，在喷丝头面14b的中心侧纺丝孔和外周侧纺丝孔之间容易产生纺丝原液的喷出不均，此外，也容易使喷丝头受到较大的来自纺丝原液流路内的液体压力而产生变形。多孔板上设置有过滤网(未画出)，对于过滤网，本发明无特别限制，可以使用本领与技术人员熟知的过滤网。

图3为图1中喷丝头14上的喷丝孔14a的结构示意图，喷丝孔14a包括：从喷丝头面14b向上穿入的纺丝孔的主体部14c，从喷丝头面14b的相反侧的面向下穿入的并与主体部连通的漏斗部14d，所述主体部14c具有直径D和长度L。

纺丝孔径D可以为0.05mm～0.2mm，优选的，纺丝孔直径D优选为0.08mm～0.18mm，更优选的，纺丝孔直径优选为0.1mm～0.15mm。如果纺丝孔直径D过小，而超高分子量聚乙烯纺丝原液黏度过高，容易将喷丝孔堵住，积聚较大的颗粒，然后发生断丝。如果纺丝孔直径D过大，则纺丝原液不是笔直的进入凝固浴内，容易与邻近喷丝孔的纺丝液粘连，产生断丝。

纺丝孔主体部长度L与纺丝孔直径D的比值即喷丝孔长径比(L/D)可以为1～10，优选的，纺丝孔的长径比L/D为5～1，优选的，纺丝孔的长径比L/D为5～2。如果长径比过大，则由于纺丝原液黏度过高，容易将喷丝孔堵住，积聚较大的颗粒，然后发生断丝。如果纺丝孔长径比L/D过小，则从各纺丝孔喷出的纺丝原液不是笔直地进入凝固浴内，而是与邻近的喷丝孔喷出的原液粘连，形成断丝。

可以对上述喷丝组件做进一步的改进。

当纺丝原液在纺丝原液流路内向多孔板内穿过时，纺丝原液在流通孔内因为受到孔壁的挤压而在原液内产生应力，当纺丝原液从流通孔内流出时，应力突然被释放，在流通孔15a的出口端会出现一个膨胀部15c，如图4所示，为原液在流通孔的出口处产生膨胀部的示意图。虽然纺丝原液很快会充满多孔板15与喷丝头14中间的空间，膨胀部15c由于与其它纺丝液接触将应力释放后会消失，但是这些释放的应力会使多孔板15与喷丝头14之间的原液产生紊乱，影响其均匀分配。如前所述，在多孔板15与喷丝头14之间的纺丝原液的均匀分配对丝条的均匀成形有着较大的影响。

本发明在多孔板的下表面进一步设置了多个圆锥形的突起15d，参见图5和图6，图5为多孔板的下表面上的突起的示意图，图6为安装了带有突起的多孔板的喷丝组件的示意图。圆锥形突起的高度可以为1mm～5mm，圆锥形突起的锥角为60度～120度。圆锥形的顶端到多孔板的距离可以为2mm～4mm。所述突起也可以为其它形状，本发明并无特别的限制。对于突起的加工方法，本发明并无特别的限制，可以在加工流通孔之后，在下表面加工出多个突起，也可以将加工好的突起焊接在多孔板的下表面上。

请参见图7，为突起的工作效果示意图。在设置了突起15d之后，当纺丝原液从流通孔15a内流出后，纺丝原液的应力得到释放时，由于有突起15d的作用，可以将应力缓解，不会使多孔板与喷丝头之间的纺丝原液产生紊乱，尤其是当突起为圆锥形时，因为具有一个斜面会将应力分解成图7中箭头所示的剪切力。虽然将流通孔的端部加工成锥形孔可能可以缓解产生的膨胀部的倾向，但是应力却得不到根本的释放，而且也不能起到突起所具有的连通纺丝原液的作用。

本发明提供的喷丝组件可以防止位于喷丝头面中心侧的纺丝孔和位于喷丝头面外周侧的纺丝孔之间产生纺丝原液的喷出不均。可防止从位于喷丝头面外周侧的个纺丝孔喷出的单纤维的断线的发生，因此可以避免纤维束的单纤维制件的纤度不均或者产生毛刺。

采用本发明提供的纺丝组件制备超高分子量聚乙烯纤维时，可以采用美国专利US4413110中公开的方法进行纺丝。

下面，使用实施例和比较例进一步说明本发明。

本发明中实施例和比较例中的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。

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{Σ_{i = 1}^{n} 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{Σ_{i = 1}^{n} {(X - X_{i})}^{2}}{n - 1}}

-------------------------------------------------公式2

公式2中符号同式公式1；

离散系数(CV)采用如下的方法：

CV = \frac{S}{X} \times 100 %

------------------------------------------------公式3

公式3中符号同式公式2。

离散系数可以很好的反应纤维的力学性能是否稳定和均匀。

实施例1

将1000kg低粘度石蜡油(η＝7.5)预热到112℃后，再将80kg超过分子量聚乙烯(MW为2.4×10⁶，粉末粒度为80μm～120μm，)与石蜡油放在溶胀釜内搅拌进行溶胀，溶胀时间为30分钟得到均匀的悬浮液，将悬浮液送入双螺杆挤出机进行挤压溶解。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180rpm。悬浮液经过双螺杆的解缠、挤出制成透明的冻胶纺丝原液。

喷丝组件采用本发明第一种具体方式中如图1中所示的喷丝组件。其中，多孔板15的厚度为20mm，多孔板15上的流通孔的直径为3.5mm，流通孔内壁上具有导程角为50度、深度为0.5mm的螺旋形沟槽。喷丝头14上的喷丝孔14a的直径D为0.15mm，喷丝孔14a的长度为0.45mm。多孔板与喷丝板之间的距离为4mm。

将冻胶纺丝原液经过计量泵后，送入喷丝组件进行纺丝。纺丝原液经喷丝板以1m/min的速度喷出进入凝固浴水槽冷却定型，喷丝头与凝固浴槽的距离为5mm，凝固欲槽内是温度为10℃的冷水，丝条定型后，对丝条施加1.5倍的喷头拉伸得到冻胶丝。

将冻胶丝采用120号溶剂油进行萃取除去石蜡油，然后经过55℃、65℃的两级干燥，将干燥后的冻胶原丝依次在110℃经2.3倍牵伸、在120℃经3.4倍牵伸、在125℃经3.8倍牵伸后，冷却后得到超高分子量聚乙烯纤维，测得纤维的性能列于表1。

实施例2、实施例3

当对初生丝条由于喷头牵伸的倍数可以很好的反应初生丝条的质量。实施例2、实施例3使用和实施例1相同的喷丝组件，不同的是实施例2对初生丝条施加了1.7倍的喷头拉伸，实施例3对初生丝条施加了1.9倍的喷头拉伸。实施例2和实施例3的其余工艺条件与实施例1相同。

实施例4

本实施例4中的喷丝组件采用了本发明的第二种具体实施方式提供的喷丝组件。其中，多孔板15的厚度为20mm，多孔板15上的流通孔的直径为3.5mm，流通孔内壁上具有导程角为50度、深度为0.5mm的螺旋形沟槽。在多孔板的下表面上，设置有圆锥形突起，圆锥形突起的高度为2.5mm，圆锥形底面半径为2.5mm。喷丝头14上的喷丝孔14a的直径D为0.15mm，喷丝孔14a的长度为0.45mm。圆锥形突起的顶端与喷丝板之间的距离为2.5mm。

工艺条件与实施例1相同。

实施例5和实施例6

实施例5和实施例6使用了和实施例4相同的喷丝组件，实施例5的工艺条件和实施例2的工艺条件相同，实施例6和实施例3的工艺条件相同。

比较例1

比较例1与实施例1的区别在于使用了不带有螺旋形沟槽的多孔板，喷丝组件上其它参数与实施例1相同，工艺条件与实施例1相同。制成超高分子量聚乙烯纤维之后，测得的性能列于表1

比较例2

比较例2使用了和比较例1相同的喷丝组件，工艺条件与实施例2所使用的工艺条件相同，制得超高分子量聚乙烯纤维之后，测得的性能列于表1。

表1纤维力学性能测试结果

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	比较例1	比较例2
									强度(cN/dtex)	31.2	32.3	29.6	31.4	32.5	34.9	31.7	29.4
模量(cN/dtex)	1026	1038	996	1059	1045	1079	1023	984
									延伸率(％)	4.0	3.9	3.5	4.1	4.0	4.0	3.8	3.4
CV(％)	2.9	3.2	3.8	2.2	2.4	2.5	3.5	3.8

从以上叙述可知，本发明提供的喷丝组件能够使纺丝原液均匀稳定的流出，因此可以施加更高牵倍的喷头拉伸，不但有利于提高超高分子量聚乙烯纤维的力学性能，并且使其力学性能更加稳定。

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

1.一种冻胶纺丝用喷丝组件，包括：喷丝头框体；设置在该喷丝头框体内部的纺丝原液流路；纺丝原液供给口，设置于所述喷丝头框体，且向上述纺丝原液流路供给纺丝原液；喷丝头，安装在所述喷丝头框体内，间隔排列设置有多个喷出所述纺丝原液流路内的纺丝原液的喷丝孔；多孔板，设置在所述纺丝原液流路中使纺丝原液分散，所述多孔板的流通孔壁上具有呈螺旋线延伸的沟槽。

2.根据权利要求1所述的喷丝组件，其特征在于所述沟槽的螺旋线的导程角为40度～60度。

3.根据权利要求1所述的喷丝组件，其特征在于所述多孔板朝向喷丝头的下表面有多个突起。

4.根据权利要求3所述的喷丝组件，其特征在于所述突起的高度为1mm～4mm。

5.根据权利要求4所述的喷丝组件，其特征在于所述突起为圆锥形。

6.根据权利要求1至5任一项所述的喷丝组件，其特征在于所述喷丝孔具有一个漏斗部和与漏斗部连接的主体部。

7.根据权利要求6所述的喷丝组件，其特征在于所述主体部具有直径(D)和长度(L)，所述长度(L)与直径(D)的比值为2/1～5/1。

8.根据权利要求1或2所述的喷丝组件，其特征在于所述多孔板朝向喷丝头的下表面与喷丝头之间的距离为3mm～5mm。

9.根据权利要求3至5任一项所述的喷丝组件，其特征在于所述突起的顶端与喷丝头之间的距离为2mm～4mm。