CN101798711B - 超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：它由以下步骤连续生产完成：(1)、用溶剂溶解超高分子量聚乙烯制成纺丝溶液，经过滤、纺丝、气隙拉伸、冷却制成冻胶原丝；(2)、预拉伸；(3)、多级冷拉伸式萃取；(4)、除湿干燥制成超高分子量聚乙烯干态丝条；(5)、热拉伸制成最终超高分子量聚乙烯纤维成品。该超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，改变了传统上纺丝、萃取、干燥等断点生产方法，无中间半成品环节，使原料从加入到最终的定型产品实现了直纺连续生产，简化了操作方法，实现了生产自动化，提高了生产效率，实现了超高分子量聚乙烯纤维的规模化生产。

Description

超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法

技术领域

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纤维生产方法的改进，具体地说是一种超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维，是采用分子量在100万以上的超高分子量聚乙烯生产制造的具有高强度和模量的合成纤维材料，所以也称为高强高模聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维、芳纶、碳纤维在国际上称为三大高性能纤维材料，其中超高分子量聚乙烯纤维因具有高强度、高模量、低密度的特点，所以在现代化战争与防御装备、宇航与航空方面发挥了极其重要的作用，在民用领域也得到了越来越广泛的应用。

日本专利特开平7-238416公开了一种在干法纺丝过程中积极挥发溶剂以制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，具体工艺为：5-50％的超高分子量聚乙烯和95-50％的挥发性溶剂溶解，加热挤出后，经过一纺丝筒，利用纺丝筒内通入热气流的方法使40％以上的溶剂挥发，剩余溶剂在热牵伸的过程中去除，该日本专利通过在纺丝过程中积极去除部分溶剂形成半干态原丝，解决了纺丝粘连的问题，但由于溶剂在纺丝和热牵伸过程中均有挥发，因此该专利需要在纺丝段和牵伸设备上分别进行防火防爆处理和溶剂回收，这样就增加了设备投资和溶剂回收的难度，不利于大规模的工业化生产。

目前，超高分子量聚乙烯纤维多采用凝胶纺丝-超倍热牵伸工艺生产，由于超高分子量聚乙烯具有很长的聚乙烯大分子柔性链，极易造成链缠结，将其溶解于一定溶剂中，通过溶剂的稀释作用拉开大分子之间的距离，原液挤出成纤维后得到具有适度大分子缠结点的冻胶原丝，经超倍热拉伸和分子取向得到具有伸直链结构的超高分子量聚乙烯纤维。其主要工序包括：1、用溶剂溶解超高分子量聚乙烯，制成纺丝溶液；2、溶液经喷丝孔挤出后再用空气或水骤冷固化，得到具有适度大分子缠结点的含溶剂湿态原丝；3、采用萃取剂将湿态原丝中所含的溶剂脱去；4、对萃取后丝束在干燥箱内进行干燥；5、进行超倍热牵伸，得到具有伸直链结晶结构的超高分子量聚乙烯纤维。在目前该纤维的实际工业生产中，国内外企业在溶剂、萃取剂选择，工艺流程，设备形式等方面差异较大，技术水平不一，但普遍将上述几个工序分开进行间歇或断点式生产。

如：中纺投资发展股份有限公司的中国专利ZL97101010.2《超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法和设备》中，仅涉及到了一个用于超高分子量聚乙烯、溶剂溶解用的搅拌釜，其制备方法与上面所讲的方法类似，在实际的生产中，按此方法得到的是纤维的半成品，这种半成品再经过退绕和牵伸，才能成为最终产品，因此，在整个生产过程中，存在生产断点，是不连续的。

在北京同益中特种纤维技术开发有限公司的中国专利200810106319.7《一种在线松弛定型的超高分子量聚乙烯纤维生产方法》中，公开了一种在线松弛定型的超高分子量聚乙烯纤维生产方法，该在线松弛设备是根据纺丝断点法(即对纺丝后的冻胶丝条落桶，经放置后再集束进行萃取)的生产方式设计的，生产方法本身是断点路线，对连续生产路线无应用意义。

在中纺投资发展股份有限公司的中国专利200610170738.8《超高分子量聚乙烯冻胶法连续直纺细旦丝生产方法》中，公开了一种利用两种不同分子量的超高分子量聚乙烯分别与溶剂加热混合搅拌后，再混合搅拌，然后喂入溶解、挤出装置，后经第二溶剂萃取、干燥、热拉伸后，制成超高分子量聚乙烯纤维。该专利方法所述除配料过程与一般工艺路线有所差别外，未就连续直纺方法进行说明；配料过程反复加热、搅拌、混合，工艺复杂、繁琐，不适于工业生产，且此配料过程与最终的直纺连续生产方法无直接关系。另据该专利申请单位目前生产线均为多断点、非连续法生产，因此，该专利技术内容不能说明，也不能实现连续直纺生产超高分子量聚乙烯纤维的工业生产。

在中国石油化工股份有限公司和中国纺织科学研究院的中国专利CN01123737.6《高强聚乙烯纤维的制作方法及纤维》中，公布了一种利用十氢萘为聚乙烯溶剂，采用干法纺丝路线进行超高分子量聚乙烯纤维生产的方法，利用半封闭温度控制区和匹配的分子量、原液浓度、喷丝板孔径、长径比与挤出速率等参数，通过调整纺丝原液与纺丝熔体挤出后的纵向拉伸流变，以使部分大分子缠结点解除，得到具有适宜超分子结构的原丝，经后道拉伸得到高强聚乙烯纤维，提供了一种生产成本低且适宜工业化稳定生产，能够满足不同纤度及性能/成本比要求，最低纤度为0.5d、强度15～51g/d的超高分子量聚乙烯纤维的制造方法。十氢萘溶剂是一种毒性大、易燃易爆化学品；且国内没有生产该产品的规模企业，使用只能靠进口，价格昂贵，考虑到环保、安全、价格等因素，国内企业不适于研究和开发以十氢萘为溶剂的超高分子量聚乙烯纤维干法生产线。

综上所述，在超高分子量聚乙烯纤维的生产中，以十氢萘为溶剂的干法路线，由于十氢萘的毒性大、易爆、价格高、回收困难等缺点，不宜大规模工业化生产；而国内传统的湿法路线，由于在生产技术特别是高效萃取、高速热拉伸等方面未能有效解决，皆以断点法在进行生产，过程繁琐，易造成过程物料的浪费，造成生产成本高、效率低，不宜进行大规模产业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全环保、高生产效率、低生产成本，在整个生产过程中不存在生产断点的，从原料的加入到最终的定型产品实现可直纺连续生产的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法。

为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：该超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，由以下步骤连续生产完成：

(1)用溶剂溶解超高分子量聚乙烯制成纺丝溶液，经过滤、纺丝、气隙拉伸、冷却制成冻胶原丝：

将矿物油与超高分子量聚乙烯按20∶1～5∶1比例进行混合，搅拌溶解成均匀溶液，后经过滤、纺丝、气隙拉伸、并在冷却水槽中迅速冷却完成冻胶纺丝过程；

其中的气隙拉伸，是在喷丝板到冷却水槽之间采用循环冷却风对冻胶纺丝进行预冷却和拉伸，以促进纤维取向、结晶和大分子伸直链的形成，减少纺丝过程中皮芯结构的形成，有效解决了纺丝过程中丝条易粘并、断头等技术难题，为后续连续高效萃取、高速热拉伸顺利进行奠定了基础，是对传统冻胶纺丝法的重大改进；

所述气隙拉伸的拉伸倍数为3～20倍；

所述的循环冷却风的气体介质是氮气、空气、水蒸汽中的一种，其关键在于丝条在自喷丝板喷出到达冷却水槽之前的气隙过程中，用循环冷却风对丝条进行预冷却，风温控制在0～30℃之间，风速控制在0.5～1m/s之间，喷丝板到冷却水水面的距离即气隙高度为5～20mm；

所述冷却水槽中的冷却水温控制在20～60℃之间；

(2)预拉伸：

将通过上述步骤制成的冻胶原丝直接经导丝辊喂入预牵伸辊，进行萃取前预拉伸，预拉伸的目的是使冻胶原丝拉伸变细，增加溶剂与萃取剂的两相接触和扩散面积，以提高后续丝条在萃取槽中的萃取效率，预拉伸倍数在2～5倍之间；

所述的预拉伸过程是在拉伸介质中完成的，预牵伸辊位于拉伸介质中；所述的拉伸介质为水、溶剂油或热风；因水与油易分离、无腐蚀、易获得等优点，本发明优选水作为拉伸介质，水的温度控制在30～70℃之间；

(3)多级冷拉伸式萃取：

通过上述步骤预拉伸后的丝条经导丝辊送入多级密闭水封式萃取槽进行萃取，多级密闭水封式萃取槽中盛放萃取剂，以除去丝条中含有的溶剂油，在丝条的萃取过程中，采取边拉伸、边萃取的形式进行萃取，有利于加快聚乙烯与矿物油溶剂的相分离速度、溶剂与萃取剂的双向扩散速度；

所述的萃取剂是二氯甲烷，其具有萃取动力强、低毒、安全、成本低、易回收等特点，且该萃取剂有助于丝条在萃取槽中的拉伸过程，萃取剂各项指标优于传统苯类、汽油类萃取剂；

所述的多级密闭水封式萃取槽是由2～8个萃取槽连接而成，每个萃取槽中均安装有超声波发生器、加热装置、拉伸辊等装置，以实现高效拉伸式萃取，超声波发生器装置的作用是提高溶剂油与萃取剂的双向扩散速率；萃取剂温度控制在0～20℃之间，由此提高萃取效率、缩短萃取时间，减少因溶剂去除后丝条内部大孔洞的的生成，减少后续热拉伸过程中缺陷的形成，有利均匀拉伸并使拉伸后的纤维性能保持均匀；

(4)除湿干燥制成超高分子量聚乙烯干态丝条：

经上述步骤萃取后的丝条连续进入在线蒸发干燥装置，该在线蒸发干燥装置是利用二氯甲烷的低沸点易挥发等特点设计制造而成，经该装置丝条中的二氯甲烷由液态被蒸发为汽态，再经装置附带的吸附和冷凝装置转化为液态二氯甲烷并回流入萃取槽中；经该装置的处理后，丝条与萃取剂被充分分离，萃取剂回收利用，丝条即成为超高分子量聚乙烯干态丝条；

(5)热拉伸制成最终超高分子量聚乙烯纤维成品：

将上述步骤获得的干态丝条经导丝辊送入热拉伸装置进行1～5级热拉伸，得到最终的成品纤维，热拉伸倍数在2～10倍之间，拉伸温度在90～160℃之间，并且各热拉伸段的温度在上述范围内递增；

所述热拉伸装置包括牵伸机与丝条加热装置，其中牵伸机是一种齿轮传动式七棍牵伸机，丝条加热装置包括热风循环式烘箱与热辊两种加热装置配合使用，以提高传热效率和拉伸速度。

本发明的有益效果在于：由于采用气隙拉伸、冻胶纺丝、拉伸式萃取、多级热牵伸等技术方法的实施，改变了传统上纺丝、萃取、干燥等断点生产方法，使整个生产过程实现从粉末状PE粉原料到成品纤维的无间断、连续化操作，最终生产出超高分子量聚乙烯纤维成品，同时由于在整个生产过程中不存在生产断点，因此无中间半成品环节，实现了生产自动化，安全环保、高生产效率、低生产成本，使原料从加入到最终的定型产品实现了直纺连续生产，降低了能源、原辅料消耗和浪费，简化了操作方法，提高了生产效率，实现了超高分子量聚乙烯纤维的规模化生产。

具体实施方式

实施例1

一种超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，由以下步骤连续生产完成：

(1)用溶剂溶解超高分子量聚乙烯制成纺丝溶液，经过滤、纺丝、气隙拉伸、冷却制成冻胶原丝：

将矿物油与超高分子量聚乙烯按20∶1比例进行混合，搅拌溶解成均匀溶液，后经过滤、纺丝、气隙拉伸、并在冷却水槽中迅速冷却完成冻胶纺丝过程；

其中的气隙拉伸，是在喷丝板到冷却水槽之间采用循环冷却风对冻胶纺丝进行预冷却和拉伸；

所述气隙拉伸的拉伸倍数为10倍；

所述的循环冷却风的气体介质是空气，丝条在自喷丝板喷出到达冷却水槽之前的气隙过程中，循环冷却风对丝条进行预冷却，风温控制在13℃之间，风速控制在0.8m/s，气隙高度为8mm；

所述冷却水槽中的冷却水温控制在20℃；

(2)预拉伸：

将通过上述步骤制成的冻胶原丝直接经导丝辊喂入预牵伸辊，进行萃取前预拉伸，预牵伸倍数在3倍；所述的预拉伸过程是在拉伸介质中完成的，所述的拉伸介质为水，水的温度控制在60℃；

(3)多级冷拉伸式萃取：

通过上述步骤预拉伸后的丝条经导丝辊送入多级密闭水封式萃取槽进行萃取，多级密闭水封式萃取槽中盛放二氯甲烷萃取剂，以除去丝条中含有的溶剂油，在丝条的萃取过程中，采取边拉伸、边萃取的形式进行萃取，有利于加快聚乙烯与矿物油溶剂的相分离速度、溶剂与萃取剂的双向扩散速度；

所述的多级密闭水封式萃取槽由4个萃取槽连接而成，每个萃取槽中均安装有超声波发生器、加热装置、拉伸辊等装置，以实现高效拉伸式萃取，超声波发生器装置的作用是提高溶剂油与萃取剂的双向扩散速率，萃取剂温度控制在10℃，由此提高萃取效率、缩短萃取时间，减少因溶剂去除后丝条内部大孔洞的的生成，减少后续热拉伸过程中缺陷的形成，有利均匀拉伸并使拉伸后的纤维性能保持均匀；

(4)除湿干燥制成超高分子量聚乙烯干态丝条：

经上述步骤萃取后的丝条中夹带的一定量萃取剂，连续进入一种在线蒸发干燥装置，该在线蒸发干燥装置是利用二氯甲烷的低沸点易挥发等特点设计制造而成，经该装置丝条中的二氯甲烷由液态被蒸发为汽态，再经装置附带的吸附和冷凝装置转化为液态二氯甲烷并回流入萃取槽中；经该装置的处理后，丝条与萃取剂被充分分离，萃取剂回收利用，丝条即成为超高分子量聚乙烯干态丝条；

(5)热拉伸制成最终超高分子量聚乙烯纤维成品：

将上述步骤获得的干态丝条经导丝辊送入热拉伸装置进行3级热拉伸，得到最终的成品纤维，热拉伸倍数在3倍，拉伸温度在90～160℃之间，并且各热拉伸段的温度在上述范围内递增；

所述热拉伸装置包括牵伸机与丝条加热装置，其中牵伸机是一种齿轮传动式七棍牵伸机，丝条加热装置包括热风循环式烘箱与热辊两种加热装置配合使用，以提高传热效率和拉伸速度。

实施例2

一种超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，由以下步骤连续生产完成：

(1)用溶剂溶解超高分子量聚乙烯制成纺丝溶液，经过滤、纺丝、气隙拉伸、冷却制成冻胶原丝：

将矿物油与超高分子量聚乙烯按5∶1比例进行混合，搅拌溶解成均匀溶液，后经过滤、纺丝、气隙拉伸、并在冷却水槽中迅速冷却完成冻胶纺丝过程；

其中的气隙拉伸，是在喷丝板到冷却水槽之间采用循环冷却风对冻胶纺丝进行预冷却和拉伸；

所述气隙拉伸的拉伸倍数为20倍；

所述的循环冷却风的气体介质是氮气，在丝条自喷丝板喷出到达冷却水槽之前的气隙过程中，用循环冷却风对丝条进行预冷却，风温控制在30℃，风速控制在1m/s，喷丝板到冷却水水面的距离气隙高度即气隙高度为20mm；

所述冷却水槽中的冷却水温控制在60℃；

(2)预拉伸：

将通过上述步骤制成的冻胶原丝直接经导丝辊喂入预牵伸辊，进行萃取前预拉伸，预拉伸倍数在5倍；所述的预拉伸过程是在拉伸介质中完成的，所述的拉伸介质为水，水的温度控制在70℃；

(3)多级冷拉伸式萃取：

通过上述步骤预拉伸后的丝条经导丝辊送入多级密闭水封式萃取槽进行萃取，多级密闭水封式萃取槽中盛放二氯甲烷萃取剂，以除去丝条中含有的溶剂油，在丝条的萃取过程中，采取边拉伸、边萃取的形式进行萃取，有利于加快聚乙烯与矿物油溶剂的相分离速度、溶剂与萃取剂的双向扩散速度；

所述的多级密闭水封式萃取槽是由8个萃取槽连接而成，每个萃取槽中均安装有超声波发生器、加热装置、拉伸辊等装置，以实现高效拉伸式萃取；二氯甲烷萃取剂温度控制在20℃；

(4)除湿干燥制成超高分子量聚乙烯干态丝条：

经上述步骤萃取后的丝条中夹带的一定量萃取剂，连续进入一种在线蒸发干燥装置，该在线蒸发干燥装置是利用二氯甲烷的低沸点易挥发等特点设计制造而成，经该装置丝条中的二氯甲烷由液态被蒸发为汽态，再经装置附带的吸附和冷凝装置转化为液态二氯甲烷并回流入萃取槽中；经该装置的处理后，丝条与萃取剂被充分分离，萃取剂回收利用，丝条即成为超高分子量聚乙烯干态丝条；

(5)热拉伸制成最终超高分子量聚乙烯纤维成品：

将上述步骤获得的干态丝条经导丝辊送入热拉伸装置进行5级热拉伸，得到最终的成品纤维，热拉伸倍数在10倍，拉伸温度在90～160℃之间，并且各热拉伸段的温度在上述范围内递增；

所述热拉伸装置包括牵伸机与丝条加热装置，其中牵伸机是一种齿轮传动式七棍牵伸机，丝条加热装置包括热风循环式烘箱与热辊两种加热装置配合使用，以提高传热效率和拉伸速度。

Claims (9)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：它由以下步骤连续生产完成：

(1)用溶剂溶解超高分子量聚乙烯制成纺丝溶液，经过滤、纺丝、气隙拉伸、冷却制成冻胶原丝：

将矿物油与超高分子量聚乙烯按20∶1～5∶1比例进行混合，搅拌溶解成均匀溶液，后经过滤、纺丝、气隙拉伸、并在冷却水槽中迅速冷却完成冻胶纺丝过程；其中的气隙拉伸，是在喷丝板到冷却水槽之间采用循环冷却风对冻胶纺丝进行预冷却和拉伸；

(2)预拉伸：

将通过上述步骤制成的冻胶原丝直接经导丝辊喂入预牵伸辊，进行萃取前预拉伸，预拉伸倍数在2～5倍之间；

(3)多级冷拉伸式萃取：

通过上述步骤预拉伸后的丝条经导丝辊送入多级密闭水封式萃取槽进行萃取，多级密闭水封式萃取槽中盛放萃取剂，在丝条的萃取过程中，采取边拉伸、边萃取的形式进行萃取；所述的多级密闭水封式萃取槽是由2～8个萃取槽连接而成，每个萃取槽中均安装有超声波发生器、加热装置和拉伸辊；萃取剂温度控制在0～20℃之间；

所述的萃取剂是二氯甲烷；

(4)除湿干燥制成超高分子量聚乙烯干态丝条：

经上述步骤萃取后的丝条，连续进入在线蒸发干燥装置，经该装置的处理后，丝条与萃取剂被充分分离，萃取剂回收利用，丝条即成为超高分子量聚乙烯干态丝条；

(5)热拉伸制成最终超高分子量聚乙烯纤维成品：

将上述步骤获得的干态丝条经导丝辊送入热拉伸装置进行1～5级热拉伸，得到最终的成品纤维，热拉伸倍数在2～10倍之间，拉伸温度在90～160℃之间，并且各热拉伸段的温度在上述范围内递增。

2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述气隙拉伸的拉伸倍数为3～20倍。

3.根据权利要求1或2所述的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的循环冷却风的气体介质是氮气、空气、水蒸汽中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：在步骤(1)中，循环冷却风的风温控制在0～30℃之间，风速控制在0.5～1m/s之间，喷丝板到冷却水水面的距离即气隙高度为5～20mm。

5.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述冷却水槽中的冷却水温控制在20～60℃之间。

6.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：所述的第(2)步骤中的预拉伸过程是在拉伸介质中完成的，预牵伸辊位于拉伸介质中。

7.根据权利要求1或6所述的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：所述的第(2)步骤中预拉伸的拉伸介质为水、溶剂油或热风。

8.根据权利要求1或6所述的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：所述第2步骤中预拉伸的拉伸介质为水，水的温度控制在30～70℃之间。

9.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维的无断点直纺连续生产方法，其特征在于：在第(5)步骤中所述热拉伸装置包括牵伸机与丝条加热装置，其中牵伸机是一种齿轮传动式七棍牵伸机，丝条加热装置包括热风循环式烘箱与热辊两种加热装置配合使用。