CN103031615B - 一种高强聚乙烯单丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强聚乙烯单丝，所述的聚乙烯单丝直径为0.5~2mm，强度为15~20cN/dtex，模量为300~600cN/dtex，上述聚乙烯单丝通过如下方法制备：将聚乙烯树脂通过单螺杆熔融挤出机挤出，采用水冷方式对挤出的熔体进行冷却，得到初生丝，初生丝再经过一道慢速牵伸，牵伸加热采用热箱加热的方式，即得到高强聚乙烯单丝，所述的聚乙烯树脂的数均分子量为25~30万，MW/Mn=4.5~6.5。所述的聚乙烯单丝的强度高，制备过程简单，成本低，可以满足渔业生产、纸过滤材料等相关领域的需求。

Description

一种高强聚乙烯单丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强聚乙烯单丝，更具体的，涉及一种高强聚乙烯单丝及其制备方法。
背景技术
近年来，国外已经将超高强纤维材料应用于渔业生产等相关领域，并取得了一定效果。相关的专利报道也层出不穷。超高强纤维材料虽然具备了卓越的性能，却因为其极高的成本，在我国渔业工程中应用仍然较少。但是渔业领域对此类高性能纤维材料的需求量是不可小觑的，因此价格低廉，性价比高，制造工艺简单的高强纤维是发展的必然。
超高分子量聚乙烯纤维的制造方法，最初多选用冻胶法纺丝，例如在JP-B60-47922中，就公开了利用超高分子量聚乙烯作为基础材料，采用凝胶纺丝法生产高强度、高模量纤维的方法。这种纺丝方法需要大量的溶剂和萃取剂，对于环境和生产成本都是不小的负担。近年来，对于熔融法制备超高分子量聚乙烯纤维的研究越来越多，例如专利CN101476170A，公开了一种熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法及装置。其使用的原料为以有机硅作改性剂的超高分子量聚乙烯共混料或者是超高分子量聚乙烯、有机硅、液晶高分子形成的三元共混料。专利CN101302653A，公开了一种自增强高密度聚乙烯单丝，强调了单螺杆挤出机和喷丝板的长径比，初生丝经过12.4~16.1倍拉伸并用气流法快速冷却后，收卷成自增强高密度聚乙烯。单丝的细度粗，单丝内外热的传递就比较慢，而气流法的冷却方式是利用空气传热，但因为空气的比热容小，热传递就会较为缓慢，所以对气流的速度和温度都有比较高的要求，得到的聚乙烯单丝的结构会有缺陷，直接影响其物理机械性能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种高强聚乙烯单丝，该聚乙烯单丝的强度高，制备过程简单，成本低，可以满足渔业生产、纸过滤材料等相关领域的需求。
本发明的另一目的是提供一种高强聚乙烯单丝的制备方法。
为实现本发明的发明目的，采用如下技术方案：
一种高强聚乙烯单丝，所述的聚乙烯单丝直径为0.5~2mm，强度为15~20cN/dtex，模量为300~600cN/dtex。
一种高强聚乙烯单丝的制备方法，包括如下步骤：
（1）将聚乙烯树脂通过单螺杆挤出机挤出，采用水冷方式对挤出的熔体进行冷却，得到初生丝，
（2）初生丝再经过一道慢速牵伸，牵伸加热采用热箱加热的方式，即得到高强聚乙烯单丝，
所述的聚乙烯树脂的数均分子量为25~30万，MW/Mn=4.5~6.5。
单螺杆挤出机各段的温度分别控制在一段270~280℃；二段280~295℃；三段285~300℃；四段285~300℃。
根据本发明所述的方法，在所述步骤（1）中加入单螺杆熔融挤出机的聚乙烯树脂不添加其他共混物，主要是采用了高温、低转速螺杆。
其中，单螺杆挤出机包括单螺杆、组件、喷丝板，发明人通过对组件熔腔的改进，提高了单丝的均匀性。本发明的组件的熔腔的过滤面积是常规单丝组件的熔腔的过滤面积的1.3~4倍。以常规Φ90组件为例，常规单丝用纺丝组件的熔腔过滤面积约为21cm2，而本发明中采用的组件的过滤腔体的过滤面积约为28cm2，比常规单丝组件熔腔大1.3倍，使得相同挤出量熔体可以在组件中进一步增加停留时间，匀化熔体；同时在喷丝板设计上，采用内锥形设计，改善熔体分配效果，减少熔体死角，从而提高出喷丝孔后纤维的均匀性。从进料到出丝的总停留时间在5~30分钟，保证了聚乙烯熔体的良好流动性。
分子量为25~30万的高分子量聚乙烯的熔体粘度比增塑剂的熔体粘度要高很多，添加了增塑剂后，整体熔体粘度会降低2~20%，同时增塑剂的添加还会造成整体熔体不均匀，使得单丝的结构会有明显的缺陷，强度下降20~40%；整体熔体不均匀还会造成单丝的不匀率增大，添加增塑剂的单丝直径偏差为0.06~0.10mm，而不添加增塑剂的单丝直径偏差为0.02mm。本发明不添加增塑剂，保证了聚乙烯熔体的均匀性，有利于单丝性能的提高。
根据本发明所述的方法，在所述步骤（1）中采用水冷方式对聚乙烯单丝进行冷却，主要是由于单丝制备中，纤维直径较大，单纯的风冷无法达到满意的冷却效果。
用水冷方式进行冷却，冷却的速度为40~500L/min，水温10~60℃。水的比热容较空气的比热容大，PE单丝内外热量的热传递就会较好控制，对于PE单丝的成型有很大的改进。这主要是因为在空气中冷却，熔融单丝很难冷却，易产生并丝现象，而且如果加大空气冷却距离，熔融丝条会产生飘忽不定易造成单丝直径不均匀。
根据本发明所述的方法，在所述步骤（2）中一道慢速牵伸的牵伸速度为1~10m/min，牵伸倍数为30~70倍，牵伸温度为70~80℃，然后收卷成高强聚乙烯单丝。
根据本发明所述的方法，在所述步骤（2）中采用了热箱加热的方式，加热不使用其他有机加热介质，省略了清除和回收加热介质的步骤，工艺过程更为简单。
上述方法制备的单丝，其强度明显增强。
与现有技术的聚乙烯单丝相比，本发明提供的高强聚乙烯单丝具有强度高，可以满足渔业生产、纸过滤材料等相关领域的需求。该聚乙烯单丝的制备过程简单，成本低的特点。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明的发明内容进一步的解释说明，但并限定本发明的保护的范围。
实施例1
使用分子量为27万，MW/Mn=4.5的聚乙烯原料，通过单螺杆熔融挤出机挤出，单螺杆挤出机各段的温度分别控制在一段275℃；二段280℃；三段295℃；四段300℃，使用Φ90组件，组件的过滤腔体的过滤面积约为28cm2，采用温度20℃的水以100L/min的速度冷却，得到初生丝，初生丝再经过35倍的一道慢速牵伸，牵伸速度1m/min，牵伸温度为70℃，得到的单丝直径为2mm，强度在16cN/dtex，模量为323cN/dtex。
实施例2
使用分子量为27万，MW/Mn=4.5的聚乙烯原料，通过单螺杆熔融挤出机挤出，单螺杆挤出机各段的温度分别控制在一段270℃；二段295℃；三段300℃；四段290℃，使用Φ90组件，组件的过滤腔体的过滤面积约为28cm2，采用温度60℃的水以50L/min的速度冷却，得到初生丝，初生丝再经过45倍的一道慢速牵伸，牵伸速度1m/min,牵伸温度为70℃，得到的单丝直径为1.3mm，强度在17.2cN/dtex，模量为300cN/dtex。
实施例3
使用分子量为27万，MW/Mn=4.5的聚乙烯原料，通过单螺杆熔融挤出机挤出，单螺杆挤出机各段的温度分别控制在一段280℃；二段285℃；三段295℃；四段285℃，使用Φ90组件，组件的过滤腔体的过滤面积约为42cm2，采用温度10℃的水以50L/min的速度冷却，得到初生丝，初生丝再经过45倍的一道慢速牵伸，牵伸速度5m/min,牵伸温度为80℃，得到的单丝直径为1.2mm，强度在18cN/dtex，模量为460cN/dtex。
实施例4
使用分子量为30万，MW/Mn=5.5的聚乙烯原料，通过单螺杆熔融挤出机挤出，单螺杆挤出机各段的温度分别控制在一段270℃；二段280℃；三段285℃；四段295℃，使用Φ90组件，组件的过滤腔体的过滤面积约为84cm2，采用温度40℃的水以500L/min的速度冷却，得到初生丝，初生丝再经过70倍的一道慢速牵伸，牵伸速度5m/min，牵伸温度为75℃，得到的单丝直径为0.7mm，强度在20cN/dtex，模量为560cN/dtex。
实施例5
使用分子量为25万，MW/Mn=6.5的聚乙烯原料，通过单螺杆熔融挤出机挤出，单螺杆挤出机各段的温度分别控制在一段275℃；二段280℃；三段290℃；四段295℃，使用Φ90组件，组件的过滤腔体的过滤面积约为28cm2，采用温度50℃的水以200L/min的速度冷却，得到初生丝，初生丝再经过30倍的一道慢速牵伸，牵伸速度10m/min，牵伸温度为80℃，得到的单丝直径为0.5mm，强度在18.7cN/dtex，模量为600cN/dtex。

Claims (7)

1.一种高强聚乙烯单丝，所述的聚乙烯单丝直径为0.5～2mm，强度为15～20cN/dtex，模量为300～600cN/dtex；
所述的高强聚乙烯单丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚乙烯树脂通过单螺杆熔融挤出机挤出，采用水冷方式对挤出的熔体进行冷却，得到初生丝，
(2)初生丝再经过一道慢速牵伸，牵伸加热采用热箱加热的方式，得到高强聚乙烯单丝，
所述的聚乙烯树脂的数均分子量为25～30万，MW/Mn＝4.5～6.5。
2.权利要求1所述的高强聚乙烯单丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚乙烯树脂通过单螺杆熔融挤出机挤出，采用水冷方式对挤出的熔体进行冷却，得到初生丝，
(2)初生丝再经过一道慢速牵伸，牵伸加热采用热箱加热的方式，即得到高强聚乙烯单丝，
所述的聚乙烯树脂的数均分子量为25～30万，MW/Mn＝4.5～6.5。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，单螺杆熔融挤出机各段的温度分别控制在：一段为270～280℃；二段为280～295℃；三段为285～300℃；四段为285～300℃。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，冷却的速度为40～500L/min，水温10～60℃。
5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中一道慢速牵伸的牵伸速度为1～10m/min，牵伸倍数为30～70倍，牵伸温度为70～80℃，然后收卷成高强聚乙烯单丝。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中一道慢速牵伸的牵伸速度为1～10m/min，牵伸倍数为30～70倍，牵伸温度为70～80℃，然后收卷成高强聚乙烯单丝。
7.根据权利要求2-3，6任一项所述的制备方法，其特征在于，单螺杆挤出机包括单螺杆、组件、喷丝板，其中，组件的熔腔的过滤面积是常规单丝组件的熔腔的过滤面积的1.3～4倍。
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