CN102199805B - 一种超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法及由该方法所得有色纤维，该方法是先将纳米级的有机杂环类颜料加入到超高分子量聚乙烯粉末中，在双螺纹锥形混合机中充分搅拌混合得到有色聚合体，再将有色聚合体与助剂连续加入到能提供至少 1000 秒 -1 的剪切速率的解缠釜内形成乳液状的混合液；该混合液经高剪切分散乳化泵的第二道剪切和粉碎后，进入到螺杆挤出机中，经挤出纺丝，萃取，干燥，热拉伸形成所述超高分子量聚乙烯有色纤维。本发明工艺操作简单，切换颜色方便，得到的有色纤维色泽鲜明，抗老化性能强；所添加的颜料无毒无污染，对人体无害，生产过程清洁环保，且在生产过程中，溶剂始终不被颜料污染，回收方便，进一步降低了生产成本。

Description

一种超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)是上世纪70年代末研制成功、并于80年代初进入产业化的一种高性能纤维，与碳纤维、芳纶并称为当今世界三大高科技纤维，目前主要通过冻胶纺丝法生产。现有技术中，冻胶纺丝法的主要步骤如下：由超高分子量聚乙烯粉末和适当的溶剂配成的原液通过螺杆挤出机挤出，喷丝孔成型，入水浴凝固获得聚乙烯纤维的冻胶原丝，该冻胶原丝经萃取，干燥，超倍热拉伸后获得成品纤维，纤维均呈白色，不能满足绳网等对颜色有要求的领域，然而，超高分子量聚乙烯纤维的大分子链中，除碳氢共价键外不存在其它的官能团，一般的染料分子无法与之结合进行染色，因此一般的纤维染色方法对聚乙烯纤维都不适用。
中国发明专利ZL200810014184.1公开了一种有颜色的高强聚乙烯纤维及其制造方法，其是将超高分子量聚乙烯，白色矿物油与无机颜料添加剂加热混合后，进入双螺杆挤出机内加热，使之溶胀，溶解，温度控制在100℃～300℃制得纺丝原液，无机颜料添加剂为群青、酞菁蓝、氧化铬绿、铅铬绿、氧化铁、炭黑中的一种或其同类组合，无机颜料添加剂的添加量为超高分子量聚乙烯重量的1.0%～3.0%，无机颜料添加剂的粒径小于1微米。然后，经过制备冻胶丝，萃取，干燥，后牵伸及卷绕获得有颜色的高强度聚乙烯纤维。该方法的不足在于：只能获得断裂强度较低的超高分子量聚乙烯有色纤维，在制备过程中，溶剂受到颜料的污染，不易于回收，成本较高，将微米级的无机颜料和超高分子量聚乙烯粉末直接在溶剂中进行混合，很难混合得特别均一，得到的纤维产品颜色不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种改进的超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，其生产成本较低，所得纤维的强度高，颜色均匀。
为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
（1）、将纳米级的有机杂环类颜料加入到超高分子量聚乙烯粉末中，在双螺旋锥形混合机中搅拌混合10～20分钟得到有色聚合体，所述杂环类颜料的加入量为超高分子量聚乙烯粉末的0.1%～0.8%；
（2）、将所述有色聚合体与助剂连续加入到能提供至少1000秒 -1 的剪切速率的解缠釜内，所述助剂至少包括溶剂以使得所述有色聚合体在所述溶剂中、氮气保护和所述解缠釜提供的剪切力的作用下形成乳液状的混合液；
（3）、将所述混合液连续通入到对混合液中的悬浮颗粒具有粉碎作用的高剪切分散乳化泵中进行第二道剪切；
（4）、将经过步骤（2）的混合液的一部分作为原液直接和连续地喂入螺杆挤出机中，经挤出纺丝，萃取，干燥，热拉伸形成所述超高分子量聚乙烯有色纤维，同时，所述混合液的剩余部分循环回所述解缠釜内。
根据本发明，所述双螺旋锥形混合机是已知的，其采用双螺杆混合结构，可在较短时间内将纳米级粉末完全分散开。步骤（1）中，所述搅拌混合可以在室温下进行。
根据本发明，所述有机杂环类颜料的分子中含有杂环结构，主要是氧杂环或氮杂环的发色体系。杂环颜料色谱包括黄、橙、红、紫色，少数为蓝色，并且有分子对称性与平面性，许多品种显示出与酞菁类相似的优异耐热性、耐迁移性与耐气候性，该类颜料可商购获得。
根据本发明的一个具体方面，所采用的有机杂环类颜料为有机杂环红色颜料，有机杂环黄色颜料以及有机杂环橙色颜料中的一种或多种的组合。当采用单独的机杂环红色颜料，有机杂环黄色颜料或有机杂环橙色颜料时，分别可获得超高分子量聚乙烯红色纤维，超高分子量聚乙烯黄色纤维和超高分子量聚乙烯橙色纤维。
根据本发明的进一步实施方案：步骤（4）中，所述挤出纺丝是将螺杆挤出机输出的挤出物依次经过滤器，箱体，计量泵后从喷丝组件的喷丝孔喷出，然后进入20℃以下含1wt%表面活性剂的水浴中凝固获得有色冻胶原丝。
本发明所述的纳米级是指颜料平均粒径大小于等于500nm，通常为100～500nm。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
①工艺操作简单，切换颜色方便，且得到的有色纤维色泽鲜明，颜色均匀；
②所添加的颜料无毒无污染，对人体无害，且生产过程清洁环保；
③颜料与超高分子了聚乙烯之间结合力强，在生产过程中，溶剂始终不被颜料污染，回收方便，进一步降低了生产成本；
④所得有色纤维的断裂强度在30cn/dtex以上，模量在1000g/d以上。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种超高分子量聚乙烯红色纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）、制备超高分子量聚乙烯的有色冻胶原丝：将平均粒径大小为500nm的有机杂环类红色颜料加入到超高分子量聚乙烯（相对平均分子质量450万）粉末中，按质量比2:1000充分搅拌混合，形成超高分子量聚乙烯的有色聚合体，所述搅拌混合在双螺旋锥形混合机（秦皇岛抚宁化轻机械厂，YSH系列）中，室温下进行15分钟左右。
（2）、将步骤（1）所得有色聚合体与70#溶剂白油以及酚型抗氧剂，按质量比8:100:0.16分别注入到解缠釜内，在氮气保护下剪切25分钟，剪切速率3000秒 -1 得到乳液状的混合液。
（3）、将步骤（2）的混合液输入到高剪切分散乳化泵中进行第二道剪切，高剪切分散乳化泵的剪切速率为3000秒 -1 ，从乳化泵中出来的混合液的一部分喂入到螺杆挤出机中，剩余部分循环回解缠釜中。在本例中，螺杆挤出机为双螺杆，螺杆挤出机直径95mm，长度与直径之比为64，螺杆的温度285℃，转速160 rpm，螺杆挤出机输出的挤出物依次经过滤器、箱体、计量泵后从喷丝组件的喷丝孔（直径0.7mm）喷出，然后进入20℃下含1wt%表面活性剂的水浴中凝固获得所述有色冻胶原丝。之后，再经萃取，干燥及多级热拉伸，拉伸总倍数为33倍，获得超高分子量聚乙烯红色纤维。经检测，纤维断裂强度达到31cn/dtex，模量在1000 g/d以上。
实施例2
本实施例提供一种超高分子量聚乙烯黄色纤维的制备方法，如下：将平均粒径大小为500nm的有机杂环类黄色颜料加入到超高分子量聚乙烯（相对平均分子质量450万）粉末中，按质量比2:1000充分搅拌混合，形成超高分子量聚乙烯的有色聚合体，所述搅拌混合在双螺旋锥形混合机（秦皇岛抚宁化轻机械厂，YSH系列）中，室温下进行15分钟左右；然后按照与实施例1的步骤（2）和（3）相同的方法制得超高分子量聚乙烯黄色纤维。经检测，纤维断裂强度达到31cn/dtex，模量在1000 g/d以上。
实施例3
本实施例提供一种超高分子量聚乙烯橙色纤维的制备方法，如下：将平均粒径大小为500nm的有机杂环类橙色颜料加入到超高分子量聚乙烯（相对平均分子质量450万）粉末中，按质量比2:1000充分搅拌混合，形成超高分子量聚乙烯的有色聚合体，所述搅拌混合在双螺旋锥形混合机（秦皇岛抚宁化轻机械厂，YSH系列）中，室温下进行15分钟左右；然后按照与实施例1的步骤（2）和（3）相同的方法制得超高分子量聚乙烯黄色纤维。经检测，纤维断裂强度达到31cn/dtex，模量在1000 g/d以上。
综上，本发明通过将纳米级的有机杂环颜料与超高分子量聚乙烯粉末混合形成有色聚合体后，再进行纺丝原液的制备及后续的工序获得纤维，工艺操作简单，切换颜色方便，得到的有色纤维色泽鲜明，抗老化性能强。由于所添加的颜料无毒无污染，对人体无害，生产过程清洁环保。此外，在生产过程中，溶剂始终不被颜料污染，回收方便，进一步降低了生产成本。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
（1）、将纳米级的有机杂环类颜料加入到超高分子量聚乙烯粉末中，在双螺旋锥形混合机中搅拌混合10～20分钟得到有色聚合体，所述杂环类颜料的加入量为超高分子量聚乙烯粉末的0.1%～0.8%；
（2）、将所述有色聚合体与助剂连续加入到能提供至少1000秒-1的剪切速率的解缠釜内，所述助剂至少包括溶剂以使得所述有色聚合体在所述溶剂中、氮气保护和所述解缠釜提供的剪切力的作用下形成乳液状的混合液；
（3）、将所述混合液连续通入到对混合液中的悬浮颗粒具有粉碎作用的高剪切分散乳化泵中进行第二道剪切；
（4）、将经过步骤（3）的混合液的一部分作为原液直接和连续地喂入螺杆挤出机中，经挤出纺丝，萃取，干燥，热拉伸形成所述超高分子量聚乙烯有色纤维，同时，所述混合液的剩余部分循环回所述解缠釜内。
2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述搅拌混合在室温下进行。
3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，其特征在于：所述有机杂环类颜料为有机杂环类红色颜料、有机杂环类黄色颜料及有机杂环类橙色颜料中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，其特征在于：所述的有机杂环类颜料的平均粒径大小为100～500nm。
5.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述挤出纺丝是将螺杆挤出机输出的挤出物依次经过滤器，箱体，计量泵后从喷丝组件的喷丝孔喷出，然后进入20℃以下含1wt%表面活性剂的水浴中凝固获得有色冻胶原丝。
6.一种采用权利要求1至5中任一项权利要求所述的超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法制备得到的超高分子量聚乙烯有色纤维。
7.根据权利要求6所述的超高分子量聚乙烯有色纤维，其特征在于：所述有色纤维的维断裂强度大于等于30cN/dtex，模量在1000 g/D以上。
8.根据权利要求6所述的超高分子量聚乙烯有色纤维，其特征在于：所述有色纤维为红色、黄色或橙色。
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