CN102234850B - 一种高强度聚丙烯纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度聚丙烯纤维的制备方法，解决了现有技术中的应用于工程领域的长丝聚丙烯纤维成本高、短丝聚丙烯纤维力学性能差的技术问题。其主要技术方案是采用短丝法进行制备，包括以下步骤：聚丙烯树脂干燥、树脂与添加料的共混、螺杆熔融挤压纺丝机熔融、挤出纺丝、喷丝头牵伸、上油、落桶、集束、一级高温油浴牵伸、二级高温蒸汽牵伸、高温紧张热定型、冷却、超短切断机切断、打包。由该制备方法制得的聚丙烯纤维既有较高力学性能、又能大幅度降低其生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯纤维的制备方法，特别涉及的是一种用于工程领域的增强混凝土强度的聚丙烯纤维的制备方法。
背景技术
混凝土是世界上用量最大且使用最广泛的建筑材料之一，预计我国到2010年水泥产量将增至8～8.5亿吨，即比1996年的4.9亿吨差不多翻了一倍，并超过世界水泥总产量的三分之一。由于混凝土具有适用范围广、价格便宜、易浇注成型、耐久性好以及还可制作节能生态环保型建筑材料等优点，因此，在可预见的将来，混凝土仍将是我国现代工程建设的主要建筑材料。但是混凝土也存在着抗拉强度低、极限拉应变小、抗冲击耐磨损性能差以及在混凝土凝固前由于失水收缩造成混凝土塑性开裂等诸多缺点，为解决这一突出矛盾，在国内外各种混凝土改性技术中，纤维混凝土的开发应用可认为是近年来混凝土技术的最大进展之一。
聚丙烯纤维具有低成本、吸湿性小、干态和湿态条件下力学性能相同、化学稳定性能好、耐酸碱、耐微生物、耐磨等优点，其具有广泛的用途，比如应用于绳索、土工布、过滤布、混凝土增强纤维等。尤其在混凝土增强方面的应用日益广泛，工业化高强度聚丙烯长丝具有力学性能好的优势，但是成本高；短丝聚丙烯纤维成本低但力学性能较差，均阻碍了聚丙烯纤维进一步在混凝土增强方面的应用。
现有中国专利公开号为CN1515711A、公开日期为2004年7月28日和授权公告号为CN1328423C、授权日期为2007年7月25日的两份专利文件，分别介绍了一种高强度聚丙烯纤维的制备方法，但是按照其制备方法制得的高强度聚丙烯纤维，其应用领域主要是属于纺织、服装类。而在土木工程应用方面对聚丙烯纤维提出了其它的要求，例如以上专利中纤维都经过了卷曲和松弛热定型的加工工艺，卷曲和收缩定型后的纤维不适用于土木工程中，故以上两项专利不适用土木工程纤维的制备。
正是为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种新的技术方案来制备工程领域所需的高强度聚丙烯纤维，以增强工程建设材料尤其是混凝土的各项性能指标。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中应用于工程领域的长丝聚丙烯纤维成本高、短丝聚丙烯纤维力学性能差的技术问题，而提供一种既能制备具有较高力学性能、又能大幅度降低生产成本的聚丙烯纤维的制备方法。
为解决上面所述的技术问题，本发明主要采取以下技术方案：
一种高强度聚丙烯纤维的制备方法，采用短丝法制作，依次包括以下步骤：
原料的干燥、混合：将准备好的聚丙烯树脂和添加料进行干燥并混合，所述聚丙烯树脂的树脂等级为注塑级、纺丝级或通用级，所述添加料占原料总重量的比例为0～25％；
熔融、纺丝：将混合后的聚丙烯树脂和添加料通过螺杆熔融挤压纺丝机进行熔融、挤出纺丝，螺杆熔融挤压纺丝机各区的温度分别为：预热区为190～210℃，熔融区为200～240℃，压缩区220～270℃，计量区210～260℃，纺丝温度为200～250℃；
喷丝头牵伸，纤维经喷丝头喷出后采用环冷风进行冷却，所述环冷风的温度为20～50℃；
上油；落桶；集束；
一级高温油浴牵伸：油浴温度为60～100℃，油浴长度为5～10m，一级牵伸倍率为2～4倍；
二级高温蒸汽牵伸：蒸汽温度为100～120℃，高温蒸汽机长度为8～10m，牵伸倍率为1.15～2倍；
高温紧张热定型：热定型温度为120～135℃，定型时间为15～60s；
冷却；切断；制得成品。
进一步的，本发明所采用的聚丙烯树脂原料的熔点大于165℃、熔融指数为3～70g/10min。
更进一步的，本发明所采用的聚丙烯树脂为均聚聚丙烯树脂或共聚聚丙烯树脂。
作为本发明的优选技术方案，在对准备的原料进行干燥时采用充填搅拌式的干燥方式，干燥温度为110～130℃，干燥持续时间为1～3小时。
作为本发明的另一优选技术方案，所述添加料为色母粒、增塑母粒、耐高温母粒、防腐母粒、消泡母粒、无机物超细颗粒和聚乙烯中的任一种或多种的混合物。
在所述喷丝头牵伸的步骤中，采用孔直径为0.15～0.75mm、长径比6～15的喷丝头进行牵伸。
本发明提供的高强度聚丙烯纤维的制备方法，弥补了现有聚丙烯工程纤维的力学性能差和生产成本高的不足，扩展了现有聚丙烯纤维的应用范围。在本发明制备聚丙烯纤维的过程中，采用短丝法制备聚丙烯工程纤维成本低廉、力学性能优秀、耐热性能好。同时，聚丙烯树脂材料丰富，可以大量生产出应用于工程领域所需要的性能优良的增强混凝土纤维，能够提高我国基础设施建设和军事建筑物的安全性能并且延长了其使用寿命。
附图说明
图1是本发明制备高强度聚丙烯纤维的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
请参阅图1，图1是本发明制备高强度聚丙烯纤维的制备方法的工艺流程图。本发明提供的高强度聚丙烯纤维的制备方法是采用短丝法进行制作，包括以下步骤：
原料的干燥、混合：先将准备好的聚丙烯树脂和添加料进行干燥，并进行混合，其中，聚丙烯树脂的树脂等级为注塑级、纺丝级或通用级，添加料占原料总重量的比例范围为0～25％；
熔融、纺丝：将混合后的聚丙烯树脂和添加料通过螺杆熔融挤压纺丝机进行熔融、挤出纺丝，其中，螺杆熔融区域的温度分别为：预热区为190～210℃，熔融区为200～240℃，压缩区220～270℃，计量区210～260℃，纺丝温度为200～250℃；
喷丝头牵伸，纤维经喷丝头喷出后采用环冷风进行冷却，所述环冷风的温度为20～50℃；
上油；落桶；集束；
一级高温油浴牵伸：油浴温度为60～100℃，油浴长度为5～10m，一级牵伸倍率为2～4倍；二级高温蒸汽牵伸：蒸汽温度为100～120℃，高温蒸汽机长度为8～10m，牵伸倍率为1.15～2倍；
高温紧张热定型：热定型温度为120～135℃，定型时间为15～60s；
冷却；切断；制得成品。
其中，本发明所采用的聚丙烯树脂原料的熔点大于165℃，其熔融指数的范围为3～70g/10min；为达到更佳的制备技术效果，聚丙烯树脂选择为均聚聚丙烯树脂或共聚聚丙烯树脂，采用这样的树脂原料，将大大增强所制得的聚丙烯纤维的强度。
在对原料干燥、混合的步骤中，采用充填搅拌式干燥，干燥温度为110～130℃，干燥持续时间为1～3小时，该干燥方式具有干燥温度低、干燥时间短并且干燥效果明显的技术效果；混合的添加料为高聚物，而高聚物为色母粒、增塑母粒、耐高温母粒、防腐母粒、消泡母粒、无机物超细颗粒和聚乙烯中的任一种或多种的混合物，在制备的过程中添加这些高聚物添加料对纤维的力学性能、化学稳定性、高温稳定性等都有了显著的提高，对混凝土的增强效果有明显的改善。
在所述螺杆熔融挤压纺丝机熔融步骤中，纺丝机各区域的温度分别为：预热区为190～210℃，熔融区为200～240℃，压缩区220～270℃，计量区210～260℃，纺丝温度为200～250℃，不同的区域设定不同的环境温度，在制作纺丝的过程中，对原料的预热、熔融、压缩等直至制成高性能指标的纺丝起着重要的作用，才能达到制成高强度聚丙烯纤维的要求。
在喷丝头牵伸的步骤中，采用孔直径为0.15～0.75mm、长径比6～15的喷丝头进行牵伸，喷丝头的孔直径决定了纺丝的粗细，可以根据需要来确定孔直径的大小，可以满足工程上所需要的各种型号的纺丝；喷丝头长径比的大小严重影响着纺丝从喷丝头出来时的膨胀比，即长径比越大，膨胀比越小，其力学性能就越好。
在一级高温油浴牵伸的步骤中，油浴温度为60～100℃，油浴长度为5～10m，一级牵伸倍率为2～4倍；在二级高温蒸汽牵伸的步骤中，蒸汽温度为100～120℃，高温蒸汽机长度为8～10m，牵伸倍率为1.15～2倍。在高温油浴牵伸和高温蒸汽牵伸中，其牵伸条件的确定，在纺丝牵伸的过程中，能够大幅度提高纺丝的取向度，增强纺丝的力学性能，尽可能满足工程上技术指标的需要。
在高温紧张热定型步骤中，所述热定型温度为120～135℃，定型时间为15～60s，该步骤主要是使在经过两级牵伸后的聚丙烯纤维大分子进行高度取向和结晶，而该热定型温度及定型时间的确定，正是为了更好对聚丙烯纤维进行取向度和结晶度的固定，以保证聚丙烯纤维具有良好的力学性能。
下面以实施例对上述技术方案进一步进行说明：
实施例1：首先，将准备好的聚丙烯树脂和添加料进行干燥，并混合。在本实施例中，所采用的聚丙烯树脂原料的熔融指数为26g/10min，掺入的添加料为超细碳酸钙母粒，占原料总重量的6％。其中系统采用的干燥方式为充填搅拌式，干燥温度为100℃，干燥时间2h，干燥温度低、时间短并且干燥效果明显，即干燥后切片含水量降低到40ppm以下；然后将干燥、混合后的原料加入到螺杆熔融挤压纺丝机中进行熔融，纺丝机各区温度分别为：预热区195℃，熔融区235℃，压缩区250℃，计量区240℃；接着进行喷丝头牵伸的步骤对纤维丝进行牵伸，其中喷丝模头的温度为220℃、喷丝头的孔直径0.5mm、长径比6、环冷风温度为25℃。
从喷丝头出来的纤维丝再分别经过一级高温油浴牵伸和二级高温蒸汽牵伸，其中一级牵伸中油浴温度为65℃±2℃、油浴槽长度为7.5m、牵伸倍率为3.0倍，二级牵伸中高温蒸汽温度为110℃、牵伸倍率为1.15倍；纤维经过压痕后通过热定型装置，即高温紧张热定型步骤，其定型温度为130℃、定型时间为30s；定型之后，再经过冷却的步骤，最后再通过超短切断机将纤维切断成6mm长度的短纤维，便制得成品；为了更好地运输，将切断后的短纤维进行打包处理。
经检验，最后制得塑钢纤维成品的强度＞500MPa，断裂伸长率＜20％，模量＞5GPa，纤维纤度3.5dtex，长度6mm，颜色为白色。
实例二：首先，将准备好的聚丙烯树脂和添加料进行干燥，并混合。在本实施例中，所采用的聚丙烯树脂原料的熔融指数为10g/10min，掺入的添加料为聚乙烯树脂，占原料总重量的10％。其中系统采用的干燥方式为充填搅拌式，干燥温度为100℃，干燥时间2h，干燥温度低、时间短并且干燥效果明显，即干燥后切片含水量降低到40ppm以下。然后，将干燥、混合后的原料加入到螺杆熔融挤压纺丝机中，纺丝机各区温度分别为：预热区205℃，熔融区240℃，压缩区260℃，计量区250℃；接着进行喷丝头牵伸的步骤对纤维丝进行牵伸，其中喷丝模头的温度为230℃、喷丝头的孔直径0.5mm、长径比6、环冷风温度为20℃。
从喷丝头出来的纤维丝再分别经过一级高温油浴牵伸和二级高温蒸汽牵伸，其中一级牵伸中油浴温度为75℃±2℃、油浴槽长度为7.5m、牵伸倍率为3.3倍，二级牵伸中高温蒸汽温度为110℃、牵伸倍率为1.2倍；纤维经过压痕后通过热定型装置，即高温紧张热定型步骤，其定型温度为125℃、定型时间为40s；定型之后，再经过冷却，最后再通过超短切断机将纤维切断成6mm长度的短纤维，便制得成品。为了更好地运输，将切断后的短纤维进行打包处理。
经检验，制得塑钢纤维成品的强度＞550MPa，断裂伸长率＜30％，模量＞5.5GPa，纤维纤度3.0dtex，长度6mm，颜色为亮白色。
实例三：与实施例一和实施例二不同的是，在本实施例的原料中的添加料的含量为0％，即不含添加料。首先，将准备好的聚丙烯树脂进行干燥，在本实施例中，所采用的聚丙烯树脂原料的熔融指数为40g/10min。其中系统采用的干燥方式为充填搅拌式，干燥温度为100℃，干燥时间2h，干燥温度低、时间短并且干燥效果明显，即干燥后切片含水量降低到40ppm以下。然后，将干燥后的原料加入到螺杆熔融挤压纺丝机中进行熔融，纺丝机各区温度分别为：预热区190℃，熔融区230℃，压缩区240℃，计量区230℃；接着进行喷丝头牵伸的步骤对纤维丝进行牵伸，其中喷丝模头的温度为210℃、喷丝头的孔直径0.75mm、长径比6、环冷风温度为25℃。
从喷丝头出来的纤维丝再分别经过一级高温油浴牵伸和二级高温蒸汽牵伸，其中一级牵伸中油浴温度为75℃±2℃、油浴槽长度为7.5m、牵伸倍率为4倍，二级牵伸中高温蒸汽温度为105℃、牵伸倍率为1.5倍；纤维经过压痕后通过热定型装置，即高温紧张热定型步骤，其定型温度为130℃、定型时间为25s；定型之后，再经过冷却，最后再通过超短切断机将纤维切断成6mm长度的短纤维，便制得成品。为了更好地运输，将切断后的短纤维进行打包处理。
经检验，最后制的塑钢纤维成品的强度＞525MPa，断裂伸长率＜20％，模量＞5GPa，纤维纤度4.0dtex，长度6mm，颜色为白色。
本发明提供的三个实施例归纳比较如下表所示，从得到的结果来看，完全符合工程所需要的增强工程材料强度的技术要求，达到了预期的技术效果。
Claims (4)
1.一种高强度聚丙烯纤维的制备方法，采用短丝法制作，其特征在于，依次包括以下步骤：
原料的干燥、混合：将准备好的聚丙烯树脂和添加剂进行干燥并混合，所述聚丙烯树脂的树脂等级为注塑级，所述聚丙烯树脂原料的熔点大于165℃，所述聚丙烯树脂熔融指数为3～70g/10min；所述添加料占原料总重量的比例为0～25％；
熔融、纺丝：将混合后的聚丙烯树脂和添加料，通过螺杆熔融挤压纺丝机进行熔融、挤出纺丝，所述螺杆熔融挤压纺丝机各区的温度分别为：预热区为190～210℃，熔融区为200～240℃，压缩区220～270℃，计量区210～260℃，纺丝温度为200～250℃；
喷丝头牵伸：采用孔直径为0.15～0.75mm、长径比6～15的喷丝头进行牵伸；纤维经喷丝头喷出后采用环冷风进行冷却，所述环冷风的温度为20～50℃；
上油；落桶；集束；
一级高温油浴牵伸：油浴温度为60～100℃，油浴长度为5～10m，一级牵伸倍率为2～4倍；
二级高温蒸汽牵伸：蒸汽温度为100～120℃，高温蒸汽机长度为8～10m，牵伸倍率为1.15～2倍；
高温紧张热定型：热定型温度为120～135℃，定型时间为15～60s；
冷却；切断；制得成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯树脂为均聚聚丙烯树脂或共聚聚丙烯树脂。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述聚丙烯树脂和添加料干燥的步骤中，其干燥方式为充填搅拌式，干燥温度为110～130℃，干燥持续时间为1～3h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述添加料为色母粒、增塑母粒、耐高温母粒、防腐母粒、消泡母粒、无机物超细颗粒和聚乙烯中的任一种或多种的混合物。
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Granted publication date: 20150401 Termination date: 20210507 |
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