CN102605445A

CN102605445A - 一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法

Info

Publication number: CN102605445A
Application number: CN2012100796182A
Authority: CN
Inventors: 袁建球; 龚建兴; 李文刚; 赵炯心; 刘国平
Original assignee: Shanghai Royang Innovative Material Technologies Co Ltd
Current assignee: Shanghai Royang Innovative Material Technologies Co Ltd
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: CN102605445B

Abstract

本发明涉及一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，该方法采用了中心吹风冷却工艺对熔融纺丝中从喷丝板挤出的聚乙烯醇熔体进行冷却，通过控制中心吹风各项工艺参数，中心吹风风速为0.8～4m/s，风温为20～25℃，湿度为40～65％，中心吹风高度为0.3～1.5m，可以有效地提高丝束的冷却效率，使纺出的初生丝得到均匀冷却，提高纺丝成形的稳定性，减少纺丝疵点和改善初生纤维截面的均匀性，并能较好地控制初生纤维的含水量，利于实现高倍拉伸，从而制造出一种强度均匀、纤度均匀模量高的高性能聚乙烯醇纤维，适于用作混凝土中的增强材料。

Description

一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法

技术领域

本发明涉及一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，特别是涉及一种制备聚乙烯醇纤维中控制聚乙烯醇含水量的中心吹风冷却凝固工艺方法。

背景技术

聚乙烯醇纤维价格低、密度小、粘结力高、分散性好、易于搅拌；与其他合成纤维相比，聚乙烯醇纤维亲水性好、弹性模量高，并且具有高比表面积，与水泥混凝土相容性好，适用于混凝土中的增强材料，以改善混凝土抗拉性能差、阻裂性能差和延性差等特点，增强效果明显。

冷却凝固工艺是聚乙烯醇纺丝过程中的一个重要环节，熔体细流从喷丝板喷出到集束前需要冷却使其凝固形成初生纤维，其目的是使熔体细流尽快均匀冷却形成稳定的初生纤维。目前，聚乙烯醇纤维的固化成形多采用凝固浴，如湿法纺丝和冻胶纺丝，但这些纺丝方法的双向传质过程使聚乙烯醇纤维结构不均匀，截面呈腰子形，有明显的皮芯结构，无法承受高倍拉伸，不能达到土建工程用的增强纤维的粗旦化标准，导致纤维在混凝土中的分散性和增强效果不佳。而且湿法纺丝大多数采用高聚合度聚乙烯醇，添加剂复杂，需要后续萃取过程，生产成本高，环境污染大。

熔融纺丝可避免这些纺丝方法出现的上述种种问题，而且熔融纺丝纤维成型时收缩小，纤维截面均匀性高，可以施以高倍拉伸，从而提高纤维性能。聚乙烯醇为水溶性高分子材料，与水接触会使纤维表面溶胀发黏，对纤维的拉伸有很大影响，进而限制了其表观和使用性能，所以无法采用水冷工艺。因此，聚乙烯醇熔融纺丝的冷却凝固是有待我们解决的问题。专利200510057435.0一种制备高性能聚乙烯醇纤维的方法以侧吹风的方式实现了聚乙烯醇熔融纺丝的冷却凝固工艺，解决了聚乙烯醇初生纤维的冷却问题。但该专利没有对冷却风速、风湿和温度进行具体全面的说明，这些工艺条件对初生纤维的纤度、强度和条干具有重大影响，而且上述工艺没有达到控制聚乙烯醇初生纤维含水量的目的。

发明内容

本发明的目的是为了克服上面所述的技术缺陷，提供一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法。用该冷却工艺既使初生纤维得到均匀冷却又有效地控制其的含水量，保证纺丝的稳定性，提高了丝束的冷却效率，进一步改善了初生纤维纤度和强度不匀，使其达到后续加工的要求，能制得高性能聚乙烯醇粗旦纤维，可广泛应用于建筑工程混凝土领域。

为了解决上面所述的技术问题，本发明采取以下技术方案：

本发明提供了一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，聚乙烯醇熔体从喷丝板挤出，经吹风冷却形成初生纤维后集束，所述的吹风冷却采用中心吹风的方式，所述的中心吹风即中心环形横吹风冷却，即冷却空气由位于丝束中心的吹风管垂直于丝条运行方向吹出冷却气流，由内向外对熔体细流进行冷却，工艺参数为：风速0.8～4m/s，风温20～25℃，湿度40～65％；所述的聚乙烯醇熔体是指以水为增塑剂的熔融聚乙烯醇；所述的聚乙烯醇聚合度为1500～2600，醇解度为88～99％。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，所述的中心吹风高度为0.3～1.5m。

如上所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，所述的聚乙烯醇熔体的含水量为30～60wt％。水的加入有利于聚乙烯醇的加热熔融，提高纺丝性，同时对纤维的后拉伸也有一定的影响。

如上所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，所述的聚乙烯醇熔体中还包括能与聚乙烯醇中的羟基形成氢键的化合物，即含氮化合物、含羟基化合物、含硫化合物或含羧基化合物。这些物质占聚乙烯醇熔体总质量1～20wt％，一般是小分子或低聚物增塑剂，它们是实现聚乙烯醇熔融纺丝最直接和有效的方法。

如上所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，所述的含氮化合物为己内酰胺、聚酰胺或水性聚氨酯；含羟基化合物为甘油、乙醇胺或分子量为200～2000的聚乙二醇；含硫化合物为乙撑硫脲；含羧基化合物为柠檬酸或酒石酸。

最常用的含氮化合物是己内酰胺。己内酰胺与聚乙烯醇有互补结构，与水组成复配改性剂，可以破坏聚乙烯醇自身分子内和分子间氢键，抑制聚乙烯醇的结晶，降低其熔点，并通过聚乙烯醇与己内酰胺和水分子间的氢键，减少自由水含量，实现了水在聚乙烯醇中的过热化，在加工温度下不产生气泡，实现其熔融纺丝。高沸点甘油是最常用的多元醇类增塑剂，甘油能增加聚乙烯醇的链段活动性、减小结晶区域，从而降低熔点。但甘油的增塑效果随着甘油含量的增加而逐渐减小，直至发生相分离时增塑效果急剧减小。单一增塑剂的加入均难以实现聚乙烯醇的热塑加工，将不同增塑剂复合后加入聚乙烯醇中增塑效果更好。

如上所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，所述的风速为1.7m/s，风温为22℃，湿度为55％。风速、风湿和湿度的相互配合保证了在一定的冷却范围内有效地带走丝条的热量和水分，使丝条均匀冷却，并且避免空气湍动引起的丝条振荡或飘动。

如上所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，所述的初生纤维含水量为15～40wt％。中心吹风工艺去除了初生丝中的部分水分，然后送入干燥装置再次调整纤维含水量，直至达到适宜纤维拉伸的条件。中心吹风是调控纤维含水量的一个主要工序，大部分的水分在此过程中被空气带走。

中心吹风是纺丝成形过程中从喷丝板中挤出的丝条的一种冷却固化方法。冷却空气从分配管进入中心吹风装置，通过整流板转变为水平方向从位于丝束中心的吹风管由内向外吹向丝束，通过控制吹风的风速、风温和湿度诸条件，保持自喷丝板喷出的熔体均在恒定的环境中被冷却，确保纤维成形稳定，质量均匀。中心吹风属于强制热交换，有利于丝条均匀冷却，使丝条截面结构均匀，同时丝条散热和除水快，冷却效率高，有利于提高纺丝质量。

本发明的积极效果体现在：

(1)采用中心吹风冷却装置，不需凝固浴，仅通过单向传质去除聚乙烯醇的增塑剂水。采用中心吹风时空气与丝成垂直方向直接吹在四周的丝条上，传热系数较高，冷却效果好，克服了空气自然冷却速度慢、效率低、后续牵伸工艺难以进行、无法达到大型工业生产要求的缺点，且得到的初生纤维具有良好的纤度、强度和条干不匀率进一步降低，CV值降低到2％以下。且中心吹风装置既可以满足丝束冷却成形的工艺要求，基本消除了侧吹风中系统冷风的紊流，为稳定纺丝成成形，减少纺丝疵点和改善初生纤维截面的均匀性创造了条件，又可以避免普通环吹装置由于穿透丝束的风在喷丝板中心形成的湍流对板面温度和丝条张力的影响，同时缓解了常规环吹由外向里吹风引起的丝束温度梯度较大的问题。中心吹风方式有效地提高了对丝束的冷却效率。

(2)优化中心吹风各项参数，对该聚乙烯醇粗旦初生纤维进行均匀冷却，使从喷丝孔喷出的高聚物熔体冷却到室温形成初生纤维，并且使初生纤维含水量得到有效控制，既满足了初生纤维高强力对后加工高拉伸倍率的要求，提高了初生纤维的拉伸性能，又保证后加工装置的较高运转率。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

将聚合度1700、醇解度88％的聚乙烯醇和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占两者总质量的30％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速0.8m/s，风温20℃，湿度40％，中心吹风高度为0.3m，冷却后集束，得到含水量为22％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例2

将聚合度2600、醇解度99％的聚乙烯醇和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占两者总质量的60％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速4m/s，风温25℃，湿度65％，中心吹风高度为1.5m，冷却后集束，得到含水量为30％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例3

将聚合度2000、醇解度99％的聚乙烯醇和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占两者总质量的45％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.7m/s，风温22℃，湿度55％，中心吹风高度为0.8m，冷却后集束，得到含水量为16％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例4

将聚合度2400、醇解度99％的聚乙烯醇和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占两者总质量的24％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.8m/s，风温22℃，湿度50％，中心吹风高度为1m，冷却后集束，得到含水量为15％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例5

将聚合度1700、醇解度99％的聚乙烯醇，己内酰胺和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的40％，己内酰胺占三者总质量的5％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.8m/s，风温24℃，湿度50％，中心吹风高度为1m，冷却后集束，得到含水量为18％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例6

将聚合度1700、醇解度92％的聚乙烯醇，聚酰胺和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的30％，聚酰胺占三者总质量的7％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.7m/s，风温22℃，湿度55％，中心吹风高度为0.7m，冷却后集束，得到含水量为17％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例7

将聚合度2400、醇解度99％的聚乙烯醇，水性聚氨酯和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的50％，水性聚氨酯占三者总质量的8％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.5m/s，风温23℃，湿度60％，中心吹风高度为0.5m，冷却后集束，得到含水量为23％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例8

将聚合度1700、醇解度99％的聚乙烯醇，甘油和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的45％，甘油占三者总质量的15％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.6m/s，风温22℃，湿度52％，中心吹风高度为0.8m，冷却后集束，得到含水量为18％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例9

将聚合度1700、醇解度88％的聚乙烯醇，分子量为200的聚乙二醇和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的45％，聚乙二醇占三者总质量的8％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.1m/s，风温24℃，湿度55％，中心吹风高度为0.7m，冷却后集束，得到含水量为21％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例10

将聚合度2000、醇解度99％的聚乙烯醇，分子量为2000的聚乙二醇和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的45％，聚乙二醇占三者总质量的10％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速2m/s，风温22℃，湿度62％，中心吹风高度为0.6m，冷却后集束，得到含水量为27％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例11

将聚合度1700、醇解度92％的聚乙烯醇，分子量为1000的聚乙二醇和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的45％，聚乙二醇占三者总质量的10％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.6m/s，风温22℃，湿度55％，中心吹风高度为0.6m，冷却后集束，得到含水量为24％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例12

将聚合度2600、醇解度99％的聚乙烯醇，乙醇胺和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的40％，乙醇胺占三者总质量的17％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.7m/s，风温22℃，湿度58％，中心吹风高度为0.7m，冷却后集束，得到含水量为18％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例13

将聚合度2400、醇解度99％的聚乙烯醇，乙撑硫脲和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的50％，乙撑硫脲占三者总质量的5％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.4m/s，风温21℃，湿度53％，中心吹风高度为0.6m，冷却后集束，得到含水量为22％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例14

将聚合度1700、醇解度99％的聚乙烯醇，柠檬酸和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的55％，柠檬酸占三者总质量的3％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.9m/s，风温19℃，湿度45％，中心吹风高度为0.5m，冷却后集束，得到含水量为28％的聚乙烯醇初生纤维。

实施例15

将聚合度2000、醇解度99％的聚乙烯醇，酒石酸和水在搅拌作用下于密闭容器中溶胀，其中水占三者总质量的50％，酒石酸占三者总质量的6％。充分溶胀后的聚乙烯醇用双螺杆挤出机纺丝，熔体从喷丝板喷出，经中心吹风冷却，风速1.5m/s，风温24℃，湿度50％，中心吹风高度为0.6m，冷却后集束，得到含水量为24％的聚乙烯醇初生纤维。

Claims

1.一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，聚乙烯醇熔体从喷丝板挤出，经中心风冷却形成初生纤维后集束，其特征是：所述的吹风冷却采用中心吹风的方式，所述的中心吹风即中心环形横吹风冷却，即冷却空气由位于丝束中心的吹风管垂直于丝条运行方向吹出冷却气流，由内向外对熔体细流进行冷却，工艺参数为：风速0.8～4m/s，风温20～25℃，湿度40～65％；所述的聚乙烯醇熔体是指以水为增塑剂的熔融聚乙烯醇；所述的聚乙烯醇聚合度为1500～2600，醇解度为88～99％。

2.根据权利要求1所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的中心吹风高度为0.3～1.5m。

3.根据权利要求1所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的聚乙烯醇熔体的含水量为30～60wt％。

4.根据权利要求1或3所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的聚乙烯醇熔体中还包括占聚乙烯醇熔体总质量1～20wt％的能与聚乙烯醇中的羟基形成氢键的化合物。

5.根据权利要求4所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的能与聚乙烯醇中的羟基形成氢键的化合物为含氮化合物、含羟基化合物、含硫化合物或含羧基化合物。

6.根据权利要求5所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的含氮化合物为己内酰胺、聚酰胺或水性聚氨酯；含羟基化合物为甘油、乙醇胺或分子量为200～2000的聚乙二醇；含硫化合物为乙撑硫脲；含羧基化合物为柠檬酸或酒石酸。

7.根据权利要求1所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的风速为1.7m/s。

8.根据权利要求1所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的风温为22℃。

9.根据权利要求1所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的冷却空气湿度为55％。

10.根据权利要求1所述的一种制备聚乙烯醇纤维的中心吹风冷却凝固工艺方法，其特征在于，所述的初生纤维含水量为15～40wt％。