CN102634099A - 用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法 - Google Patents

用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法 Download PDF

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Abstract

用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，该方法包括纤维处理工艺、共混熔体制备工艺、纤维浸渍工艺，所述纤维处理工艺指对超高分子量聚乙烯纤维进行辐照交联，所述共混熔体制备工艺指用高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂制备共混熔体，所述纤维浸渍工艺指将辐照交联后的超高分子量聚乙烯纤维送入共混熔体中进行浸渍，再对浸渍后的超高分子量聚乙烯纤维进行冷却、切粒以得到成品粒。本设计不仅能够保持超高分子量聚乙烯纤维在浸渍中的形状与高取向度、浸渍效果较好、抗张强度较强，而且符合特种光电缆的使用要求、密度较小、承载较低。

Description

用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法
技术领域
本发明涉及一种聚烯烃高强复合护套材料的制备方法，尤其涉及用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，适用于在确保优异抗张强度的基础上解决线缆的承载问题。
背景技术
目前，主要的特种光电缆如海底电缆、架空光电缆、光纤制导导弹光缆、野战拖曳光缆、承载承重电缆、油田潜油泵电缆等，不但要求电缆能承受很大的拉力与张力，而且要求电缆具有优异的耐环境应力开裂、耐磨、耐化学腐蚀、耐候性、耐低温等性能，并能承受一定的重量。
现有此类线缆的承重主要是钢丝、钢带铠装，钢丝、钢带的密度比较大，为7.9g/cm3，增加了线缆的重量，增加了线缆的使用难度，尤其在对线缆重量要求极高的场合，根本不能满足线缆的使用要求，而且钢丝、钢带的生产工艺复杂。 
中国专利授权公告号为CN101474868B，授权公告日为2011年2月2日的发明专利公开了一种涉及连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备，该设备包括纱架、张力调节装置、静电消除装置、预加热烘箱、张力调节装置、双挤出模头、三辊浸渍装置、冷却辊压装置和牵引卷绕装置，该设备采用交错的双挤出模头对连续纤维带进行预浸渍，其操作主要为用熔融树脂浸渍预热后的连续纤维。虽然该发明制造出的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带具有成本低、纤维浸润完全、空隙率不高于0.2％的优点，但其仍旧具有以下缺陷：
首先，该发明对浸渍前的超高分子量聚乙烯纤维只进行了静电消除、预热这两个处理，而没有考虑到超高分子量聚乙烯纤维与熔融树脂之间的反应，若熔融树脂为聚乙烯类树脂，则在浸渍的过程中，超高分子量聚乙烯纤维就会发生融化，无法保持纤维的形状和高取向度，大大降低纤维的抗张强度，甚至会导致浸渍失败；
其次，该发明涉及一种设备及其使用方法，在谈及使用方法中的浸渍时，根本没有考虑到纤维与熔体之间的配合性，也没有提及熔体的具体制备过程，若依照该发明提及的方法浸渍纤维，难以保证纤维的浸渍质量，浸渍效果较差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的无法保持超高分子量聚乙烯纤维在浸渍中的形状与高取向度、浸渍效果较差的缺陷与问题，提供一种能够保持超高分子量聚乙烯纤维在浸渍中的形状与高取向度，浸渍效果较好的用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，该方法包括纤维处理工艺、共混熔体制备工艺、纤维浸渍工艺，所述纤维处理工艺指对待浸渍的纤维进行处理，所述共混熔体制备工艺指用高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂制备共混熔体，所述纤维浸渍工艺指将处理后的纤维放入共混熔体中浸渍；
所述纤维处理工艺指：先通过电子加速器对超高分子量聚乙烯纤维进行辐照交联，电子加速器能量级别为3.0兆电子伏特，辐照剂量为12–15兆电子拉德，再对辐照交联后的超高分子量聚乙烯纤维进行预热，预热温度为70–80℃。
所述超高分子量聚乙烯纤维为下述产品中的任意一种：
湖南中泰特种装备有限责任公司生产，型号为ZTX98；宁波大成新材料股份有限公司生产，型号为高强·高模聚乙烯纤维DC80；北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产，型号为“孚泰”T113；荷兰DSM公司生产，型号为DynenmaSK76；美国Henywell公司生产，型号为Spectra900。
所述共混熔体制备工艺指：先将高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂通过高速混合机混合以得到混合料，混合时间2–3分钟，再将混合料排入平行双螺杆挤出机挤出以得到共混熔体，且将共混熔体挤入浸渍机头；
所述高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂的重量份比为：80–90：20–10：2–3：0.2–0.5：2–3：0.6–1；
所述平行双螺杆挤出机的工作温度为：一区180±5℃，二区210±5℃，三区220±5℃，四区235±5℃，五区230±5℃。
所述高密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：
齐鲁石化生产，型号为2480；上海金菲石化生产：型号为TR144；齐鲁石化生产：型号为6098。
所述线性低密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：
齐鲁石化生产，型号为7042；中原石化生产：型号为7050；广州茂名石化生产：型号为2076；沙特阿拉伯生产：型号为218W。
所述纤维浸渍工艺指：先将预热后的超高分子量聚乙烯纤维送入浸渍机头内的共混熔体中进行浸渍，浸渍温度为210–230℃，再将浸渍后的超高分子量聚乙烯纤维送入水槽冷却，最后由高速切粒机将冷却后的超高分子量聚乙烯纤维切成成品粒； 
所述成品粒的属性为：长度≥10mm，抗张强度≥138MPa，断裂伸长率≥200%，脆化温度≤－76℃，体积电阻率≥1.0×1014Ω.m。
所述浸渍过程指：在浸渍机头内的共混熔体中，由旋转的张力辊、分丝器对预热后的超高分子量聚乙烯纤维进行拉直与分丝，以实现预热后的超高分子量聚乙烯纤维在共混熔体内的充分浸渍。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法中的纤维处理工艺对超高分子量聚乙烯纤维进行了辐照交联，经过辐照交联后的超高分子量聚乙烯纤维在聚乙烯树脂类熔体中进行浸渍时不会发生融化的现象，能够保持纤维的形状和高取向度，便于提高纤维的抗张强度，其抗张强度≥138MPa，若超高分子量聚乙烯纤维没有经历过辐照交联，它在聚乙烯树脂类熔体中浸渍时就会融化，其抗张强度最大不会超过40Mpa，远远不能满足特种光电缆的使用要求。因此本发明不仅能够保持超高分子量聚乙烯纤维在浸渍中的形状与高取向度，而且抗张强度较强，符合特种光电缆的使用要求。
2、本发明用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法中的共混熔体制备工艺对聚乙烯树脂类熔体进行了限定，不仅限定了熔体的配方，而且限定了平行双螺杆挤出机各区的工作温度，这些设计不仅能满足超高分子量聚乙烯纤维在共混熔体中进行浸渍，而且还具有额外的增强效果，其中，熔体的配方能够改善共混熔体的挤出工艺性能，以提高共混熔体的综合性能；平行双螺杆挤出机各区的工作温度能够提高熔体的塑化效果；这两个设计都能提高本发明最终的浸渍效果。因此本发明的浸渍效果较好。
3、本发明用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法中经历纤维处理工艺、共混熔体制备工艺、纤维浸渍工艺生产出的成品粒的属性优异，其长度≥10mm，抗张强度≥138MPa，断裂伸长率≥200%，脆化温度≤－76℃，体积电阻率≥1.0×1014Ω.m，而且密度较小，仅为0.95g/cm3左右，从而在具备优异抗张强度和综合性能的基础上，解决了线缆的承载问题，提高了线缆产品的综合性能，扩大了线缆的使用环境。因此本发明不仅性能优异、密度较小，而且承载较低、应用范围较广。
附图说明
图1是本发明的操作流程示意图。
图2是本发明中纤维浸渍工艺的操作示意图。
图3是图2中张力辊的结构示意图。
图中：张力辊1、分丝器2。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1–图3，用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，该方法包括纤维处理工艺、共混熔体制备工艺、纤维浸渍工艺，所述纤维处理工艺指对待浸渍的纤维进行处理，所述共混熔体制备工艺指用高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂制备共混熔体，所述纤维浸渍工艺指将处理后的纤维放入共混熔体中浸渍；
所述纤维处理工艺指：先通过电子加速器对超高分子量聚乙烯纤维进行辐照交联，电子加速器能量级别为3.0兆电子伏特，辐照剂量为12–15兆电子拉德，再对辐照交联后的超高分子量聚乙烯纤维进行预热，预热温度为70–80℃。
所述超高分子量聚乙烯纤维为下述产品中的任意一种：
湖南中泰特种装备有限责任公司生产，型号为ZTX98；宁波大成新材料股份有限公司生产，型号为高强·高模聚乙烯纤维DC80；北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产，型号为“孚泰”T113；荷兰DSM公司生产，型号为DynenmaSK76；美国Henywell公司生产，型号为Spectra900。
所述共混熔体制备工艺指：先将高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂通过高速混合机混合以得到混合料，混合时间2–3分钟，再将混合料排入平行双螺杆挤出机挤出以得到共混熔体，且将共混熔体挤入浸渍机头；
所述高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂的重量份比为：80–90：20–10：2–3：0.2–0.5：2–3：0.6–1；
所述平行双螺杆挤出机的工作温度为：一区180±5℃，二区210±5℃，三区220±5℃，四区235±5℃，五区230±5℃。
所述高密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：
齐鲁石化生产，型号为2480；上海金菲石化生产：型号为TR144；齐鲁石化生产：型号为6098。
所述线性低密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：
齐鲁石化生产，型号为7042；中原石化生产：型号为7050；广州茂名石化生产：型号为2076；沙特阿拉伯生产：型号为218W。
所述纤维浸渍工艺指：先将预热后的超高分子量聚乙烯纤维送入浸渍机头内的共混熔体中进行浸渍，浸渍温度为210–230℃，再将浸渍后的超高分子量聚乙烯纤维送入水槽冷却，最后由高速切粒机将冷却后的超高分子量聚乙烯纤维切成成品粒； 
所述成品粒的属性为：长度≥10mm，抗张强度≥138MPa，断裂伸长率≥200%，脆化温度≤－76℃，体积电阻率≥1.0×1014Ω.m。
所述浸渍过程指：在浸渍机头内的共混熔体中，由旋转的张力辊1、分丝器2对预热后的超高分子量聚乙烯纤维进行拉直与分丝，以实现预热后的超高分子量聚乙烯纤维在共混熔体内的充分浸渍。
本发明的原理说明如下：
一、纤维处理工艺：
由于本发明需要在聚乙烯类共混熔体（即用高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂制备共混熔体）中对超高分子量聚乙烯纤维进行浸渍，而超高分子量聚乙烯纤维本身也是一种聚乙烯，如果将超高分子量聚乙烯纤维直接置于聚乙烯类共混熔体浸渍，纤维就会在浸渍过程中融化，不能保持纤维的形状和高取向度，抗张强度很低，最大不会超过40Mpa。为此，本发明在超高分子量聚乙烯纤维浸渍前，对它进行了辐照交联以改性，辐照交联后再浸渍时，纤维就不再会融化，能保持在高分子基材中的高取向性和形状，其抗张强度≥138Mpa。
超高分子量聚乙烯纤维采取辐照交联的原因在于：别的交联方式目前无法使超高分子量聚乙烯纤维交联，如化学交联、硅烷交联等，都需要经过高温高压才能交联，不适用于纤维使用，而辐照交联只需要将成卷的纤维通过辐照交联生产线即可发生交联反应，是常温交联，不需要向纤维中添加助剂。就目前的交联方式而言，对纤维的交联采用辐照交联最合适。
电子加速器能量级别为3.0兆电子伏特，辐照剂量为12–15兆电子拉德：该能量级别的加速器和辐照剂量比较适合超高分子量聚乙烯纤维的交联，交联结果、交联速度都能满足浸渍工艺的需要，也能满足生产速度的需要。若超出此设定范围，则易降低交联后的纤维性能。
预热温度为70–80℃：该操作能使超高分子量聚乙烯纤维被充分浸渍，纤维表面与熔体结合的更好，若不预热，则纤维与熔体冷却后易分层。
所述超高分子量聚乙烯纤维为下述产品中的任意一种：湖南中泰特种装备有限责任公司生产，型号为ZTX98；宁波大成新材料股份有限公司生产，型号为高强·高模聚乙烯纤维DC80；北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产，型号为“孚泰”T113；荷兰DSM公司生产，型号为DynenmaSK76；美国Henywell公司生产，型号为Spectra900。
二、共混熔体制备工艺：
（一）、熔体的配方：
将高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂混合：若只使用高密度聚乙烯树脂，则挤出工艺温度较高，工艺性能不好，制备成的护套料表面不光滑，毛糙。但当高密度聚乙烯树脂与线性低密度聚乙烯共混后，则能改善共混物的挤出工艺性能，挤出工艺与其它性能又能互补，从而获得综合性能较好的共混物。按照本发明给出的配方比例，性能达到最佳。
聚乙烯蜡：起润滑作用，超过此用量料易在挤出机中打滑，不出料。
抗氧剂1010#：价格昂贵，按照配方的量足以满足使用要求。
碳黑母粒：是护套要求的颜色，按照这个量能达到防止紫外线老化的最佳效果。
流变剂：在挤出过程中能改善流动性，使高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂混合更均匀，其价格昂贵，按照配方量足以满足。
所述高密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：齐鲁石化生产，型号为2480；上海金菲石化生产：型号为TR144；齐鲁石化生产：型号为6098。
所述线性低密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：齐鲁石化生产，型号为7042；中原石化生产：型号为7050；广州茂名石化生产：型号为2076；沙特阿拉伯生产：型号为218W。
（二）、平行双螺杆挤出机的工作温度：
平行双螺杆挤出机的工作温度为：一区180±5℃，二区210±5℃，三区220±5℃，四区235±5℃，五区230±5℃。在此温度下挤出的共混熔体的塑化最好，超出此温度区间，料的塑化效果不会达到最佳，若超出很大，料甚至会被分解。
温度波动范围是±5℃的原因：如果大于5℃，则波动较大，温度难以控制，共混熔体的温度不能被准确控制，料的流动性不均匀。
三、纤维浸渍工艺：
浸渍温度为210–230℃：该温度即为共混熔体从挤出机出来的温度，在此温度下共混熔体的粘度较低，容易被浸渍，被浸渍后的纤维均匀一致。
张力辊、分丝器：参见图2与图3，其实，张力辊1是一个能旋转的滑轮；分丝器2的两端与张力辊1相连接，分丝器2的作用是把纤维分成单根，就像往一个孔里穿线，分丝器2就像一个很多孔的板。
实施例1：
参见图1–图3，用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，该方法包括纤维处理工艺、共混熔体制备工艺与纤维浸渍工艺；
所述纤维处理工艺指：先通过电子加速器对超高分子量聚乙烯纤维进行辐照交联，电子加速器能量级别为3.0兆电子伏特，辐照剂量为12–15兆电子拉德，再对辐照交联后的超高分子量聚乙烯纤维进行预热，预热温度为70–80℃；
所述共混熔体制备工艺指：先将高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂通过高速混合机混合以得到混合料，混合时间2–3分钟，再将混合料排入平行双螺杆挤出机挤出以得到共混熔体，且将共混熔体挤入浸渍机头；所述高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂的重量份比为：80：10：2：0.2：2：0.6；所述平行双螺杆挤出机的工作温度为：一区180±5℃，二区210±5℃，三区220±5℃，四区235±5℃，五区230±5℃；
所述纤维浸渍工艺指：先将预热后的超高分子量聚乙烯纤维送入浸渍机头内的共混熔体中进行浸渍，浸渍温度为210–230℃，在浸渍机头内的共混熔体中，由旋转的张力辊1、分丝器2对预热后的超高分子量聚乙烯纤维进行拉直与分丝，以实现预热后的超高分子量聚乙烯纤维在共混熔体内的充分浸渍，再将浸渍后的超高分子量聚乙烯纤维送入水槽冷却，最后由高速切粒机将冷却后的超高分子量聚乙烯纤维切成成品粒；
所述成品粒的属性为：长度≥10mm，抗张强度≥138MPa，断裂伸长率≥200%，脆化温度≤－76℃，体积电阻率≥1.0×1014Ω.m；
所述超高分子量聚乙烯纤维为下述产品中的任意一种：湖南中泰特种装备有限责任公司生产，型号为ZTX98；宁波大成新材料股份有限公司生产，型号为高强·高模聚乙烯纤维DC80；北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产，型号为“孚泰”T113；荷兰DSM公司生产，型号为DynenmaSK76；美国Henywell公司生产，型号为Spectra900。
所述高密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：齐鲁石化生产，型号为2480；上海金菲石化生产：型号为TR144；齐鲁石化生产：型号为6098；
所述线性低密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：齐鲁石化生产，型号为7042；中原石化生产：型号为7050；广州茂名石化生产：型号为2076；沙特阿拉伯生产：型号为218W。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂的重量份比为：90：20：3：0.5：3：1。
实施例3：
基本内容同实施例1，不同之处在于：高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂的重量份比为：85：15：2.5：0.3：2.5：0.8。 

Claims (7)

1.用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，该方法包括纤维处理工艺、共混熔体制备工艺、纤维浸渍工艺，所述纤维处理工艺指对待浸渍的纤维进行处理，所述共混熔体制备工艺指用高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂制备共混熔体，所述纤维浸渍工艺指将处理后的纤维放入共混熔体中浸渍，其特征在于：
所述纤维处理工艺指：先通过电子加速器对超高分子量聚乙烯纤维进行辐照交联，电子加速器能量级别为3.0兆电子伏特，辐照剂量为12–15兆电子拉德，再对辐照交联后的超高分子量聚乙烯纤维进行预热，预热温度为70–80℃。
2.根据权利要求1所述的用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，其特征在于：所述超高分子量聚乙烯纤维为下述产品中的任意一种：
湖南中泰特种装备有限责任公司生产，型号为ZTX98；宁波大成新材料股份有限公司生产，型号为高强·高模聚乙烯纤维DC80；北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产，型号为“孚泰”T113；荷兰DSM公司生产，型号为DynenmaSK76；美国Henywell公司生产，型号为Spectra900。
3.根据权利要求1或2所述的用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，其特征在于：
所述共混熔体制备工艺指：先将高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂通过高速混合机混合以得到混合料，混合时间2–3分钟，再将混合料排入平行双螺杆挤出机挤出以得到共混熔体，且将共混熔体挤入浸渍机头；
所述高密度聚乙烯树脂、线性低密度聚乙烯树脂、聚乙烯蜡、抗氧剂1010#、碳黑母粒、流变剂的重量份比为：80–90：20–10：2–3：0.2–0.5：2–3：0.6–1；
所述平行双螺杆挤出机的工作温度为：一区180±5℃，二区210±5℃，三区220±5℃，四区235±5℃，五区230±5℃。
4.根据权利要求3所述的用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，其特征在于：所述高密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：
齐鲁石化生产，型号为2480；上海金菲石化生产：型号为TR144；齐鲁石化生产：型号为6098。
5.根据权利要求3所述的用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，其特征在于：所述线性低密度聚乙烯树脂为下述产品中的任意一种：
齐鲁石化生产，型号为7042；中原石化生产：型号为7050；广州茂名石化生产：型号为2076；沙特阿拉伯生产：型号为218W。
6.根据权利要求1或2所述的用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，其特征在于：
所述纤维浸渍工艺指：先将预热后的超高分子量聚乙烯纤维送入浸渍机头内的共混熔体中进行浸渍，浸渍温度为210–230℃，再将浸渍后的超高分子量聚乙烯纤维送入水槽冷却，最后由高速切粒机将冷却后的超高分子量聚乙烯纤维切成成品粒； 
所述成品粒的属性为：长度≥10mm，抗张强度≥138MPa，断裂伸长率≥200%，脆化温度≤－76℃，体积电阻率≥1.0×1014Ω.m。
7.根据权利要求6所述的用超高分子量聚乙烯纤维制备聚烯烃复合护套材料的方法，其特征在于：所述浸渍过程指：在浸渍机头内的共混熔体中，由旋转的张力辊（1）、分丝器（2）对预热后的超高分子量聚乙烯纤维进行拉直与分丝，以实现预热后的超高分子量聚乙烯纤维在共混熔体内的充分浸渍。
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