CN101962820A - 超高分子量聚乙烯单丝及其热拉伸加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高分子量聚乙烯单丝及其热拉伸加工方法，采用下述重量配比的原料：超高分子量聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、增塑剂和抗氧化剂制成圆条状的丝条，其热拉伸加工方法包括以下步骤：按重量配比取上述原料备用；将各原料混合后置入单螺杆挤出机内挤出管材；在单螺杆挤出机下部安装切割刀具将管材纵向剖开的管材展开成为板型材；将板型材压延后得到膜片型坯通过第一加热通道时被拉伸；经过拉伸后的膜片型坯导入热通道内加热；通过导入压延机内得到圆条形单丝；圆条形单丝导入拉伸机进行拉伸得到半成品单丝、进入拉伸机拉伸得到成品单丝；最后定型后收卷；用本发明方法加工的产品成本低，生产效率高，直径为0.15毫米以上，抗拉强度能达到600MPa以上，弹性模量达到200g/d以上等。
Description
技术领域
本发明涉及超高分子量聚乙烯条形材的加工方法，是一种超高分子量聚乙烯单丝及其热拉伸加工方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维由于其拉伸强度高等优点，目前逐步被广泛应用，超高分子量聚乙烯纤维的制作难度较大，目前采用的方法是冻胶纺丝法，这种加工方法不足是：对加工环境要求较高，需要使用昂贵的溶剂和专业设备，并且生产效率较低，从而导致超高分子量聚乙烯丝的生产成本高昂，使超高分子量聚乙烯丝的应用受到较大限制。为此，本领域许多技术人员近几年一直致力于研究一种能够降低超高分子量聚乙烯丝生产成本的制造方法，但目前为止尚未有新的突破。
发明内容
本发明的目的是，利用单螺杆挤出机生产的超高分子量聚乙烯管状坯材，提供一种超高分子量聚乙烯单丝及其热拉伸加工方法，从而解决现有技术的不足。
本发明为实现上述目的通过以下技术方案实现：超高分子量聚乙烯单丝，采用下述重量配比的原料：超高分子量聚乙烯树脂93kg、聚乙烯蜡4.5kg、增塑剂2kg和抗氧化剂0.5kg制成圆条状直径为0.15毫米以上的丝条，其中，超高分子量聚乙烯树脂的分子量为100-300万单位，聚乙烯蜡的分子量为3000单位。
本发明的超高分子量聚乙烯单丝热拉伸加工方法，包括以下步骤：
①按下述重量配比取原料备用：超高分子量聚乙烯树脂93kg、聚乙烯蜡4.5kg、增塑剂2kg和抗氧化剂0.5kg；
②将各原料混合后置入单螺杆挤出机内挤出管材；
③在单螺杆挤出机的管材模具出口下部安装切割刀具，切割刀具沿管材底部下管壁将管材纵向剖开；
④剖开后的管材进入楔形模具内，将管材展开成为板型材；
⑤将板型材导入第一压延机内进行第一级压延，第一压延机的轧辊温度为100℃-120℃，压延后得到膜片型坯；
⑥将膜片型坯导入第一加热通道内加热，第一加热通道内的温度为90℃-120℃，经过第一加热通道的膜片型坯被引入第二压延机内进行第二级压延；第二级压延时，第二压延机的辊筒转速是第一压延机辊筒转速的4倍，使膜片型坯通过第一加热通道时被拉伸；
⑦经过步骤⑥压延拉伸后的膜片型坯导入第二加热通道内加热，第二加热通道的温度为90℃-120℃；
⑧通过第二加热通道后的膜片型坯导入第三压延机内进行第三级压延，第三级压延时，第三压延机上使用的两个轧辊的外表面均分别开设螺旋半圆型凹槽，两个轧辊上的半圆型凹槽压合后为圆形，膜片型坯通过第三级压延后得到圆条形单丝，直径为2-6毫米，轧辊温度为120℃-140℃；
⑨圆条形单丝导入第三加热通道，第三加热通道内的温度为130℃，圆条形单丝通过第三加热通道加热后导入第一单辊拉伸机进行拉伸，单辊的外表面上开设半圆型凹槽，两凹槽间的距离为凹槽宽度的3-3.5倍，便于拉伸后平行排列，不破坏单丝外形，圆条形单丝在单辊上绕2～3圈后进入下一道工序；圆条形单丝经过第一单辊拉伸机拉伸后，得到半成品单丝；
⑩将半成品单丝导入第四加热通道和冷却通道后进入第二单辊拉伸机，第四加热通道内的温度为140℃-145℃，冷却通道的温度为15-20℃，半成品单丝经过第四加热通道及冷却通道后被第二单辊压延机拉伸的倍数为2倍，得到成品单丝；
上述步骤中所述的第一加热通道、第二加热通道、第三加热通道及第四加热通道的结构均相同，具体结构是：加热通道上、下、左、右四壁相互连接成壳体，壳体呈盒状，采用合页连接，可将上下两部分打开，壳体中间设有空腔，空腔中部行走超高分子量聚乙烯型材，壳体内壁设置保温层，保温层与反射层连接，反射层上安装加热器，超高分子量聚乙烯型材上下两面分别设置第一热量散射网和第二热量散射网，热量散射网与反射层侧壁连接，加热通道的前、后壁上分别开设通口，使膜片型坯和单丝半成品通过。
步骤④中所述的楔形模具的模具内设置了人字形导板，人字形导板的高度由入口处的最高点向出口处逐渐变低至与出口处成同一平面，人字形导板与模具的两个侧壁分别构成了第一分形槽和第二分形槽，模具的顶部放置盖板，盖板与人字形导板顶面设有间距。第一加热通道的长度和第二加热通道的长度为0.78-0.98米。第三加热通道的长度为1.2-1.5米。第四加热通道的长度为1.4-1.7米。
本发明的加工方法中将原料成份进行了改变，增加了聚乙烯蜡、增塑剂及抗氧化剂，保证了超高分子量聚乙烯材料在挤出过程中的润滑性及可塑性等性能，使单丝的加工既保持了良好的加工性又保持了超高分子量聚乙烯的各种性能。本发明的加工方法均采用普通加工设备完成，设备制造成本低，拉伸过程中对环境无特殊要求，整个加工方法是一种连续加工，不停顿，不储藏，不使用溶剂，对超高分子量聚乙烯产品无任何污染，扩大了超高分子量聚乙烯单丝的应用范围。用本发明方法加工的产品，成本低，生产效率高，直径为0.15毫米以上，抗拉强度能达到600MPa以上，弹性模量达到200g/d以上等。
附图说明
图1是本发明加工方法中使用的各种设备及工艺流程图；图2是图1中A向楔形模具4的放大结构示意图；图3是图1中第一加热通道6的B-B放大剖视结构示意图；图4是图1中第三压延机9上轧辊18的C向放大结构示意图；图5是图1中第一单辊拉伸机11中单轧辊19的D向放大结构示意图；图6是图1中定型机15的E向放大结构示意图。图7是楔形模具4的立体结构示意图。
图中1是单螺杆挤出机，2是管材模具，3是切割刀具，4是楔形模具，5是第一压延机，6是第一加热通道，7是第二压延机，8是第二加热通道，9是第三压延机，10是第三加热通道，11是第一单辊拉伸机，12是第四加热通道，13是冷却通道，14是第二单辊拉伸机，15是定型机，16是收卷机，17是被加工的超高分子量聚乙烯型材，18是第三压延机的上轧辊，19是第一单辊拉伸机的单辊筒，20是定型机上的定型辊，21是电机，22是楔形模具的人字形导板，23是楔形模具的第一分形槽，24是楔形模具的第二分形槽，25是壳体，26是加热器，27是第一热量散射网，28是第二热量散射网，29是保温层，30是反射层，31是盖板，D1是凹槽直径，D2是凹槽直径，L是两凹槽间的间距。
具体实施方式
本发明进一步的说明如下：
本发明的加工方法是对超高分子量聚乙烯材料进行加热拉伸最后生产出单丝状的产品，单丝的直径为0.15毫米以上，根据使用场所的不同，产品单丝的直径不同，在加工时，可根据需要调整管材的厚度、加热通道的长度、加热通道的温度及压延机轧辊的速度，以适应加工过程中的拉伸倍数。例如：管材厚度为8毫米，经过本发明实施例的热拉伸方法后，可以得到直径为0.2毫米厚的单丝。
本发明的超高分子量聚乙烯单丝，采用下述重量配比的原料，即：超高分子量聚乙烯树脂93kg、聚乙烯蜡4.5kg、增塑剂2kg和抗氧化剂0.5kg制成圆条状直径为0.15毫米以上的丝条，其中，超高分子量聚乙烯树脂的分子量为100-300万单位，聚乙烯蜡的分子量为3000单位。
本发明的加工方法包括以下步骤：
①按下述重量配比取原料备用：超高分子量聚乙烯树脂93kg、聚乙烯蜡4.5kg、增塑剂2kg和抗氧化剂0.5kg；
②将各原料混合后置入单螺杆挤出机内挤出管材；
③安装在单螺杆挤出机底部的切割刀具在管材底部沿下管壁纵向将管材剖开；
④剖开后的管材进入楔形模具内，将管材展开成为板型材；
⑤将板型材导入第一压延机内进行第一级压延，第一压延机的轧辊温度为100℃-120℃，压延后得到膜片型坯；
⑥将膜片型坯导入第一加热通道内加热，第一加热通道内的温度为90℃-120℃，经过第一加热通道的膜片型坯被引入第二压延机内进行第二级压延。第二级压延时，第二压延机的辊筒转速是第一压延机辊筒转速的4倍，使膜片型坯通过第一加热通道时被拉伸，拉伸倍数为第一级压延后的膜片型坯的4倍；
⑦经过步骤⑥压延拉伸后的膜片型坯导入第二加热通道内加热，第二加热通道的温度为90℃-120℃；
⑧通过第二加热通道后的膜片型坯导入第三压延机内进行第三级压延，第三级压延时，第三压延机上使用的两个轧辊的外表面均分别开设螺旋半圆型凹槽，两个轧辊上的半圆型凹槽压合后为圆形，膜片型坯通过第三级压延后得到圆条形单丝，直径为2-6毫米，轧辊温度为120℃-140℃；
⑨圆条形单丝导入第三加热通道，第三加热通道内的温度为130℃，圆条形单丝通过第三加热通道加热后导入第一单辊拉伸机进行拉伸，单辊的外表面上开设半圆型凹槽，两凹槽间的距离为凹槽宽度的3-3.5倍，便于拉伸后平行排列，不破坏单丝外形，圆条形单丝在单辊上绕2～3圈后进入下一道工序，圆条形单丝经过第一单辊拉伸机拉伸后，圆条形单丝的拉伸倍数为进入第三加热通道圆条形单丝长度的4倍，得到半成品单丝；
⑩将半成品单丝导入第四加热通道和冷却通道后进入第二单辊拉伸机，第四加热通道内的温度为140℃-145℃，冷却通道的温度为15-20℃，半成品单丝经过第四加热通道及冷却通道后被第二单辊拉伸机拉伸的倍数为进入第四加热通道前的2倍，得到成品单丝；
上述步骤中所述的第一加热通道、第二加热通道、第三加热通道及第四加热通道的结构均相同，具体结构是：加热通道上、下、左、右四壁相互连接成壳体25，壳体25呈盒状，采用合页连接，可将上下两部分打开，壳体25中间设有空腔，空腔中部行走超高分子量聚乙烯型材17，壳体25内壁设置保温层29，保温层29与反射层30连接，反射层30上安装加热器26，超高分子量聚乙烯型材17上下两面分别设置第一热量散射网27和第二热量散射网28，热量散射网与反射层30侧壁连接，保证将热量均匀传递给行进的坯材；加热通道的前、后壁上分别开设通口，使膜片型坯和单丝半成品通过。
本发明所述第一加热通道的长度和第二加热通道的长度为0.78-0.98米，第三加热通道的长度为1.2-1.5米，第四加热通道的长度为1.4-1.7米。上述加热通道的长度是本发明加工方法中比较好的实施例之一，当然，各加热通道的长度还可根据拉伸倍数的需要设置，加长或缩短。
本发明步骤④中所述楔形模具4的整体形状如图7所示，楔形模具底板为平面，底板上设置了两个侧壁，出口宽度大于入口宽度，模具内设置了人字形导板22，人字形导板22的高度由入口处的最高点向出口处逐渐变低至与出口处成同一平面，人字形导板22与模具的两个侧壁分别构成了第一分形槽23和第二分形槽24，模具的顶部放置盖板31，盖板31与人字形导板22顶面设有间距，该间距的大小由管材的厚度确定，切割后的管材被导入楔形模具，管材底部被剖开后由楔形模具的窄口进入，由宽口出来后变成板型材。这种楔形模具能够快捷准确的将剖开后的管材展成板型材，为下一工序的热拉伸提供了良好的型材基础。
本发明方法中使用的单螺杆挤出机的具体结构与专利号为00215903.1说明书中公开的结构相同。本发明方法中使用的压延机均为公知压延机，本发明方法中所述的第一单辊拉伸机和第二单辊拉伸机结构相同，其结构与公知压延机结构的区别仅在于去掉了一个轧辊，其它结构均与公知的压延机结构相同。本发明方法中所述的定型机15和收卷机16为公知技术。
Claims (6)
1.超高分子量聚乙烯单丝，其特征在于：采用下述重量配比的原料：超高分子量聚乙烯树脂93kg、聚乙烯蜡4.5kg、增塑剂2kg和抗氧化剂0.5kg制成圆条状直径为0.15毫米以上的丝条，其中，超高分子量聚乙烯树脂的分子量为100-300万单位，聚乙烯蜡的分子量为3000单位。
2.超高分子量聚乙烯单丝热拉伸加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
①按下述重量配比取原料备用：超高分子量聚乙烯树脂93kg、聚乙烯蜡4.5kg、增塑剂2kg和抗氧化剂0.5kg；
②将各原料混合后置入单螺杆挤出机内挤出管材；
③在单螺杆挤出机的管材模具出口下部安装切割刀具，切割刀具沿管材底部下管壁将管材纵向剖开；
④剖开后的管材进入楔形模具内，将管材展开成为板型材；
⑤将板型材导入第一压延机内进行第一级压延，第一压延机的轧辊温度为100℃-120℃，压延后得到膜片型坯；
⑥将膜片型坯导入第一加热通道内加热，第一加热通道内的温度为90℃-120℃，经过第一加热通道的膜片型坯被引入第二压延机内进行第二级压延；第二级压延时，第二压延机的辊筒转速是第一压延机辊筒转速的4倍，使膜片型坯通过第一加热通道时被拉伸；
⑦经过步骤⑥压延拉伸后的膜片型坯导入第二加热通道内加热，第二加热通道的温度为90℃-120℃；
⑧通过第二加热通道后的膜片型坯导入第三压延机内进行第三级压延，第三级压延时，第三压延机上使用的两个轧辊的外表面均分别开设螺旋半圆型凹槽，两个轧辊上的半圆型凹槽压合后为圆形，膜片型坯通过第三级压延后得到圆条形单丝，直径为2-6毫米，轧辊温度为120℃-140℃；
⑨圆条形单丝导入第三加热通道，第三加热通道内的温度为130℃，圆条形单丝通过第三加热通道加热后导入第一单辊拉伸机进行拉伸，单辊的外表面上开设半圆型凹槽，两凹槽间的距离为凹槽宽度的3-3.5倍，便于拉伸后平行排列，不破坏单丝外形，圆条形单丝在单辊上绕2～3圈后进入下一道工序；圆条形单丝经过第一单辊拉伸机拉伸后，得到半成品单丝；
⑩将半成品单丝导入第四加热通道和冷却通道后进入第二单辊拉伸机，第四加热通道内的温度为140℃-145℃，冷却通道的温度为15-20℃，半成品单丝经过第四加热通道及冷却通道后被第二单辊压延机拉伸的倍数为2倍，得到成品单丝；
上述步骤中所述的第一加热通道、第二加热通道、第三加热通道及第四加热通道的结构均相同，具体结构是：加热通道上、下、左、右四壁相互连接成壳体(25)，壳体(25)呈盒状，采用合页连接，可将上下两部分打开，壳体(25)中间设有空腔，空腔中部行走超高分子量聚乙烯型材(17)，壳体(25)内壁设置保温层(29)，保温层(29)与反射层(30)连接，反射层(30)上安装加热器(26)，超高分子量聚乙烯型材(17)上下两面分别设置第一热量散射网(27)和第二热量散射网(28)，热量散射网与反射层(30)侧壁连接，加热通道的前、后壁上分别开设通口，使膜片型坯和单丝半成品通过。
3.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯单丝热拉伸加工方法，其特征在于：步骤④中所述的楔形模具的模具内设置了人字形导板(22)，人字形导板(22)的高度由入口处的最高点向出口处逐渐变低至与出口处成同一平面，人字形导板(22)与模具的两个侧壁分别构成了第一分形槽(23)和第二分形槽(24)，模具的顶部放置盖板(31)，盖板(31)与人字形导板(22)顶面设有间距。
4.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯单丝热拉伸加工方法，其特征在于：第一加热通道的长度和第二加热通道的长度为0.78-0.98米。
5.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯单丝热拉伸加工方法，其特征在于：第三加热通道的长度为1.2-1.5米。
6.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯单丝热拉伸加工方法，其特征在于：第四加热通道的长度为1.4-1.7米。
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