CN102644126B - 网状结构高强聚乙烯纤维的制备方法 - Google Patents
网状结构高强聚乙烯纤维的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种采用高密度聚乙烯制备网状结构高强聚乙烯纤维的方法。该方法包括下列步骤：a.将高密度聚乙烯与石蜡在混合釜中高效剪切混匀，添加辐射敏感剂，注入双螺杆熔融挤出机，经挤出成型，制得均一切粒；b.将切粒送入熔融纺丝机，脱泡挤出，由喷丝头喷丝进入骤冷环境凝固定型，再浸渍到带牵伸装置的二甲苯溶剂浴中萃取，使纤维牵伸取向，制得聚乙烯纤维半成品丝；c.将半成品丝置于辐照环境下处理，辐射剂量为80～150kGy，再经温度梯度热处理甬道并牵伸，最终获得到网状结构高强聚乙烯纤维。本发明的高强聚乙烯纤维性具有超高的强度和良好的应变，比芳纶、碳纤维、超高模量聚乙烯纤维等特种纤维更适宜于纺织加工。
Description
技术领域
本发明属于纺织材料领域，特别是涉及一种采用高密度聚乙烯制备网状结构高强聚乙烯纤维的方法。
背景技术
近年来，蜘蛛丝成为关注焦点的主要原因在于其独特的力学性能及环保优势，其在力学性能上具有蚕丝及一般合成纤维无法比拟的突出优势，目前市场上的蜘蛛丝纤维与强度最高的碳纤维强度相接近，但其在韧性上具有明显优势，并且一束由蜘蛛丝组成的绳子比同样粗细的不锈钢钢筋还要坚强有力，能够承受比钢筋还多5倍的重量而不会被折断，它具有极好的弹性和强度，其强度明显高于蚕丝、橡胶、合成纤维，与钢筋束的强度相近，低于卡夫纶；伸长与蚕丝及合成纤维相似，高于钢筋、棉和卡夫纶，因而韧性很好，在国防、军事（防弹衣）、建筑等领域具有广阔应用前景。
蜘蛛丝的研究借助于先进的结构表征手段和生物技术，主要集中在转基因技术及采用合适的仿生纺丝技术进行纺丝，目前结果都并不理想，随着生物科学和高分子科学的发展，通过转基因技术及模拟蜘蛛的纺丝行为，大量获取蜘蛛丝蛋白并人工纺出性能卓越的蜘蛛丝尚在研究阶段。
另外，纤维的高性能、高功能和高感性一直是研究者对新型化纤材料研究的重点，高性能聚乙烯纤维是继碳纤维、芳纶之后具有极其重要战略意义的新型纤维材料，高性能纤维材料由于具有极好的力学性能常作为复合材料的增强体材料，包括：玻璃纤维，强度大、且具有较好的耐热和耐化学腐蚀性能，但玻璃纤维较脆，耐压缩性能较差，其织物的变性能力较差；碳纤维，耐高温、耐化学腐蚀性能较好，但碳纤维较脆不易织造；芳香族聚酰胺纤维芳纶具有好的力学性能稳定，但其为原纤化结构，由于在织造过程中，经纬纱都要受到反复多次的拉伸、曲折、摩擦等作用，会发生原纤劈裂现象，为织造成形带了很大的麻烦，且材料的成本较高；高强高模聚乙烯纤维密度小，具有高的强度和模量且纤维的柔软性较好，具有较好的耐疲劳和耐摩擦性能，但是由于高强高模聚乙烯纤维的断裂伸长率较小，在织造过程中易出现断经断纬现象，不易织造成型，因此，制备一种高性能特种聚乙烯纤维尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种新的网状结构高强聚乙烯纤维制备方法，使得其制备的聚乙烯纤维在结构上类似蜘蛛丝的网状结构，且强度高、韧性大。
为实现上述目的，本发明的网状结构高强聚乙烯纤维制备方法包括下列步骤：
a.将高密度聚乙烯与石蜡按质量比2:8～6:4在混合釜中高效剪切混匀，添加辐射敏感剂，辐射敏感剂的加入量为高密度聚乙烯质量的0.2～1.0%，注入双螺杆熔融挤出机，经挤出成型，水浴固化，切割制得均一切粒；
b.将制得的切粒送入熔融纺丝机，脱泡挤出，由喷丝头喷丝进入骤冷环境凝固定型，再浸渍到带牵伸装置的二甲苯溶剂浴中萃取，使纤维牵伸取向，制得聚乙烯纤维半成品丝；
c.将所制得的聚乙烯纤维半成品丝置于辐照环境下处理，辐射剂量为80～150kGy，再经温度梯度热处理甬道并牵伸，使纤维进一步获得取向和结晶，最终获得到网状结构高强聚乙烯纤维。
所述步骤a中，双螺杆熔融挤出机设有七个温度控制区，七区温度分别设为40～60℃、80～100℃、110～130℃、120～140℃、130～150℃、135～155℃、140～165℃。
所述高密度聚乙烯的分子量范围是40000～300000，熔点为125～135℃，相对密度为0.941～0.960。
所述的辐射敏感剂为端乙烯基聚二甲基硅氧烷，它经辐照能发生交联，并能改善材料的耐候性、耐老化性、抗紫外线以及增强韧性，如：吉林市祥友高分子材料有限公司，牌号XY-202-B。
所述的二甲苯是由体积百分比为45～70%的间二甲苯、15～25%的对二甲苯和10～15%邻二甲苯三种异构体所组成的混合物，间二甲苯、对二甲苯和邻二甲苯三种异构体总量为100%。
所述的熔融纺丝环节中，纺丝机四区温度分别控制在170～180℃、190～210℃、220～230℃、230～235℃；骤冷环境是在喷丝头下连接吹冷风甬道，温度在-15～15℃；牵伸通过调节牵伸一辊和二辊的转速，转速比为1/1.5～1/1000；喷丝板与浴槽液面之间的垂直距离为15～20cm。
所述的辐照环境可以是高能电子束辐照或60Co-γ辐照。
所述的温度梯度热处理甬道分三区，分别为软化区120～130℃、降温区80～90℃、结晶区50～70℃；二次牵伸一辊和二辊转速比为1/70～1/100。
通过上述工艺，所获得的网状交联结构特种聚乙烯纤维凝胶的质量分数在60～80%，强度为16～25cN/dtex，模量为1600～2000cN/dtex，应变为6～27%，适用于复合材料的织物基材及防护用纺织品等领域。实际测试，本发明的高强聚乙烯纤维性具有超高的强度和良好的应变，比芳纶、碳纤维、超高模量聚乙烯纤维等特种纤维更适宜于纺织加工。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
将高密度聚乙烯（牌号：2800，韩国SK）与石蜡（52号）按质量比搅拌混匀，注入双螺杆熔融挤出机，添加辐射敏感剂，利用熔融纺丝法结合冻胶纺丝法，后期采用辐照加工技术，制备一种网状交联结构特种聚乙烯纤维的方法，包括下列步骤：
1）将高密度聚乙烯与石蜡按质量比2:8在混合釜中高效剪切混匀，添加辐射敏感剂（高密度聚乙烯质量的0.2%），注入双螺杆熔融挤出机（JSH-45双螺杆挤出机，南京康发橡塑机械制造有限公司），双螺杆熔融挤出机设有七个温度控制区，七区温度分别设为40℃、80℃、110℃、120℃、130℃、135℃、140℃，经挤出成型，常温（25℃）水浴固化，切割制得均一切粒；
2）将制得的切粒送入熔融纺丝机料斗，纺丝机四区温度分别设为170℃、190℃、220℃、230℃，脱泡挤出，由喷丝头喷丝进入骤冷环境（在喷丝头下连接吹冷风甬道）凝固定型，吹冷风甬道温度设为-15℃，再浸渍到带牵伸装置的二甲苯溶剂浴中萃取，以1/1.5低倍率牵伸取向，制得聚乙烯纤维半成品丝；
3）将所制得的聚乙烯纤维置于辐照环境下处理（60Co-γ辐照），辐射剂量为80kGy，再经温度梯度热处理甬道，软化区120℃、降温区80℃、结晶区50℃，并以1/70高倍率牵伸，纤维进一步获得取向和一定的结晶，制得一种网状交联结构特种聚乙烯纤维，纤维凝胶质量分数为60%，强度为16cN/dtex，模量为1600cN/dtex，应变为27%。
实施例2：
将高密度聚乙烯（牌号：5301AA，上海赛科）与石蜡（52号）按质量比搅拌混匀，注入双螺杆熔融挤出机，添加辐射敏感剂，利用熔融纺丝法结合冻胶纺丝法，后期采用辐照加工技术，制备一种网状交联结构特种聚乙烯纤维的方法，包括下列步骤：
1）将高密度聚乙烯与石蜡按质量比4:6在混合釜中高效剪切混匀，添加辐射敏感剂（高密度聚乙烯质量的0.4%），注入双螺杆熔融挤出机（JSH-45双螺杆挤出机，南京康发橡塑机械制造有限公司），双螺杆熔融挤出机设有七个温度控制区，七区温度分别设为60℃、100℃、130℃、140℃、150℃、155℃、165℃，经挤出成型，常温（25℃）水浴固化，切割制得均一切粒；
2）将制得的切粒送入熔融纺丝机料斗，纺丝机四区温度分别设为180℃、210℃、230℃、235℃，脱泡挤出，由喷丝头喷丝进入骤冷环境（在喷丝头下连接吹冷风甬道）凝固定型，吹冷风甬道温度设为15℃，再浸渍到带牵伸装置的二甲苯溶剂浴中萃取，以1/1.5低倍率牵伸取向，制得聚乙烯纤维半成品丝；
3）将所制得的聚乙烯纤维置于辐照环境下处理（60Co-γ辐照），辐射剂量为150kGy，再经温度梯度热处理甬道，软化区130℃、降温区90℃、结晶区70℃，并以1/100高倍率牵伸，纤维进一步获得取向和一定的结晶，制得一种网状交联结构特种聚乙烯纤维，纤维凝胶质量分数为80%，强度为18cN/dtex，模量为1700cN/dtex，应变为27%。
实施例3：
将高密度聚乙烯（牌号：5401AA，上海赛科）与石蜡（52号）按质量比搅拌混匀，注入双螺杆熔融挤出机，添加辐射敏感剂，利用熔融纺丝法结合冻胶纺丝法，后期采用辐照加工技术，制备一种网状交联结构特种聚乙烯纤维的方法，包括下列步骤：
1）将高密度聚乙烯与石蜡按质量比5:5在混合釜中高效剪切混匀，添加辐射敏感剂（高密度聚乙烯质量的0.6%），注入双螺杆熔融挤出机（JSH-45双螺杆挤出机，南京康发橡塑机械制造有限公司），双螺杆熔融挤出机设有七个温度控制区，七区温度分别设为50℃、90℃、120℃、130℃、140℃、140℃、150℃，经挤出成型，常温（25℃）水浴固化，切割制得均一切粒；
2）将制得的切粒送入熔融纺丝机料斗，纺丝机四区温度分别设为175℃、200℃、225℃、235℃，脱泡挤出，由喷丝头喷丝进入骤冷环境（在喷丝头下连接吹冷风甬道）凝固定型，吹冷风甬道温度设为-10℃，再浸渍到带牵伸装置的二甲苯溶剂浴中萃取，以1/100倍率牵伸取向，制得聚乙烯纤维半成品丝；
3）将所制得的聚乙烯纤维置于辐照环境下处理（60Co-γ辐照），辐射剂量为100kGy，再经温度梯度热处理甬道，软化区125℃、降温区85℃、结晶区60℃，并以1/90高倍率牵伸，纤维进一步获得取向和一定的结晶，制得一种网状交联结构特种聚乙烯纤维，纤维凝胶质量分数为65%，强度为21cN/dtex，模量为1900cN/dtex，应变为21%。
实施例4：
将高密度聚乙烯（牌号：2800，韩国SK）与石蜡（52号）按质量比搅拌混匀，注入双螺杆熔融挤出机，添加辐射敏感剂，利用熔融纺丝法结合冻胶纺丝法，后期采用辐照加工技术，制备一种网状交联结构特种聚乙烯纤维的方法，包括下列步骤：
1）将高密度聚乙烯与石蜡按质量比3:7在混合釜中高效剪切混匀，添加辐射敏感剂（高密度聚乙烯质量的1.0%），注入双螺杆熔融挤出机（JSH-45双螺杆挤出机，南京康发橡塑机械制造有限公司），双螺杆熔融挤出机设有七个温度控制区，七区温度分别设为50℃、90℃、120℃、125℃、135℃、140℃、145℃，经挤出成型，常温（25℃）水浴固化，切割制得均一切粒；
2）将制得的切粒送入熔融纺丝机料斗，纺丝机四区温度分别设为180℃、200℃、220℃、230℃，脱泡挤出，由喷丝头喷丝进入骤冷环境（在喷丝头下连接吹冷风甬道）凝固定型，吹冷风甬道温度设为0℃，再浸渍到带牵伸装置的二甲苯溶剂浴中萃取，以1/700高倍率牵伸取向，制得聚乙烯纤维半成品丝；
3）将所制得的聚乙烯纤维置于辐照环境下处理（高能电子束辐照），辐射剂量为120kGy，再经温度梯度热处理甬道，软化区120℃、降温区80℃、结晶区60℃，并以1/80高倍率牵伸，纤维进一步获得取向和一定的结晶，制得一种网状交联结构特种聚乙烯纤维，纤维凝胶质量分数为75%，强度为24cN/dtex，模量为1900cN/dtex，应变为13%。
实施例5：
将高密度聚乙烯（牌号：7000F，扬子石化）与石蜡（52号）按质量比搅拌混匀，注入双螺杆熔融挤出机，添加辐射敏感剂，利用熔融纺丝法结合冻胶纺丝法，后期采用辐照加工技术，制备一种网状交联结构特种聚乙烯纤维的方法，包括下列步骤：
1）将高密度聚乙烯与石蜡按质量比6:4在混合釜中高效剪切混匀，添加辐射敏感剂（高密度聚乙烯质量的0.8%），注入双螺杆熔融挤出机（JSH-45双螺杆挤出机，南京康发橡塑机械制造有限公司），双螺杆熔融挤出机设有七个温度控制区，七区温度分别设为55℃、95℃、125℃、135℃、145℃、150℃、160℃，经挤出成型，常温（25℃）水浴固化，切割制得均一切粒；
2）将制得的切粒送入熔融纺丝机料斗，纺丝机四区温度分别设为175℃、200℃、225℃、235℃，脱泡挤出，由喷丝头喷丝进入骤冷环境（在喷丝头下连接吹冷风甬道）凝固定型，吹冷风甬道温度设为15℃，再浸渍到带牵伸装置的二甲苯溶剂浴中萃取，以1/1000高倍率牵伸取向，制得聚乙烯纤维半成品丝；
3）将所制得的聚乙烯纤维置于辐照环境下处理（高能电子束辐照），辐射剂量为110kGy，再经温度梯度热处理甬道，软化区120℃、降温区90℃、结晶区60℃，并以1/90高倍率牵伸，纤维进一步获得取向和一定的结晶，制得一种网状交联结构特种聚乙烯纤维，纤维凝胶质量分数为70%，强度为25cN/dtex，模量为2000cN/dtex，应变为6%。
本发明所列举的各工艺参数的上下限取值，都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
Claims (6)
1.一种网状结构高强聚乙烯纤维制备方法，其特征是：包括下列步骤
a.将高密度聚乙烯与石蜡按质量比2:8～6:4在混合釜中高效剪切混匀，添加辐射敏感剂，辐射敏感剂的加入量为高密度聚乙烯质量的0.2～1.0 %，注入双螺杆熔融挤出机，经挤出成型，水浴固化，切割制得均一切粒；
b.将制得的切粒送入熔融纺丝机，脱泡挤出，由喷丝头喷丝进入骤冷环境凝固定型，再浸渍到带牵伸装置的二甲苯溶剂浴中萃取，使纤维牵伸取向，制得聚乙烯纤维半成品丝；
c.将所制得的聚乙烯纤维半成品丝置于辐照环境下处理，辐射剂量为80～150 kGy，再经温度梯度热处理甬道并牵伸，使纤维进一步获得取向和结晶，最终获得到网状结构高强聚乙烯纤维；
所述高密度聚乙烯的分子量范围是40000～300000，熔点为125～135℃，相对密度为0.941～0.960；
所述的辐射敏感剂为端乙烯基聚二甲基硅氧烷。
2.根据权利要求1所述的网状结构高强聚乙烯纤维制备方法，其特征是：所述步骤a中，双螺杆熔融挤出机设有七个温度控制区，七区温度分别设为40～60℃、80～100℃、110～130℃、120～140℃、130～150℃、135～155℃、140～165℃。
3.根据权利要求1所述的网状结构高强聚乙烯纤维制备方法，其特征是：所述的二甲苯是由体积百分比为45～70 %的间二甲苯、15～25 %的对二甲苯和10～15 %邻二甲苯三种异构体所组成的混合物，间二甲苯、对二甲苯和邻二甲苯三种异构体的总量为100%。
4.根据权利要求1所述的网状结构高强聚乙烯纤维制备方法，其特征是：步骤b中，所述的熔融纺丝机四区温度分别控制在170～180℃、190～210℃、220～230℃、230～235℃；骤冷环境是在喷丝头下连接吹冷风甬道，温度在-15～15℃；牵伸通过调节牵伸一辊和二辊的转速，转速比为1/1.5～1/1000；喷丝板与浴槽液面之间的垂直距离为15～20 cm。
5.根据权利要求1所述的网状结构高强聚乙烯纤维制备方法，其特征是：所述的辐照环境是高能电子束辐照或60Co-γ辐照。
6.根据权利要求1所述的网状结构高强聚乙烯纤维制备方法，其特征是：所述的温度梯度热处理甬道分三区，分别为软化区120～130℃、降温区80～90℃、结晶区50～70℃；二次牵伸一辊和二辊转速比为1/70～1/100。
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Granted publication date: 20140319 |