CN104005106A - 一种超高分子量聚乙烯纤维生产设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种超高分子量聚乙烯纤维生产设备及方法，其通过超高分子量聚乙烯纤维料坯牵伸成型及表面敷塑模具中设置的超高分子量聚乙烯纤维纤维表面敷塑熔体流道将聚乙烯涂覆到预拉伸的纤维表面，获得性能优良的超高分子量聚乙烯纤维。

Description

一种超高分子量聚乙烯纤维生产设备及方法

技术领域

本发明涉及纤维生产领域，特别是超高分子量纤维生产领域。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维(英文全称：Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber， 简称UHMWPE)，又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维。上世纪七十年代后期，以粉末状超高分子量聚乙烯为原料，采用全新的冻胶纺丝及超拉伸技术，制得了超高分子量的聚乙烯纤维，使化学纤维和化学纤维工业开始了新的飞跃。超高分子量聚乙烯纤维具有优异的物理机械性能，成为继碳纤维和芳纶之后出现的第三代高性能纤维。就强度而言，目前超高分子量聚乙烯纤维绳索可以吊起来的最大重量是同样直径钢丝绳吊起最大重量的八倍，是目前已经工业化的纤维中强度最高的纤维。此外，超高分子量聚乙烯纤维的密度小于碳纤维和芳纶，具有优异的耐化学性和耐气候性，高能量吸收性，低导电性，防水性等特点。鉴于上述性能，该纤维成为继碳纤维和芳纶之后又一种主要的高性能纤维。

但是，由于超高分子量聚乙烯纤维具有轴向高度取向( >95 %) 和结晶度高( > 99 %) 的光滑表面，本身由简单的亚甲基组成，使得纤维表面不仅没有任何反应活性点，还不能与树脂形成化学键合，使其表面能低且不易被树脂润湿，同时又无粗糙的表面以供形成机械啮合点，这样就严重限制了该纤维在树脂基复合材料中的应用。

发明内容

本发明提供了一种超高分子量聚乙烯纤维生产设备及方法。其可以生产出一种能够与聚乙烯材料紧密熔合，又能够发挥UHMWPE纤维超强模量的复合纤维材料，以便提高UHMWPE纤维复合材料的承压性能，使热塑性塑料管道在高压流体输送领域得到应用。

本发明中，添加了加工助剂的超高分子量聚乙烯混合料在塑化挤出的过程中，尤其当熔融料在通过UHMWPE料坯成型模具的口模段时，受到瞬时高温的加热，使熔融料中的加工助剂析出到表面上，既有利于后续加工过程中的取向拉伸，又能够增加纤维的纯度，提高强度。由于在取向拉伸的过程中必然会产生表面粗糙现象，通过UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模具中设置的UHMWPE纤维表面敷塑熔体流道将聚乙烯涂覆到预拉伸的纤维表面，这一层聚乙烯熔融料在纺丝拉伸过程中必须保持熔融状态，一方面能够填充超高分子量聚乙烯纤维取向拉伸时产生的表面粗糙部位，使纤维表面光滑，另一方面由于这层聚乙烯能够与纤维形成紧密的粘接形成了一薄层熔合界面，便于纤维成品在加工过程中的使用。这一薄层聚乙烯在进行后续生产，例如复合管生产时将起到了关键作用：能够保护超高分子量聚乙烯纤维在复合管加工中避免发生高温解取向。

本发明提供了一种超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其包括超高分子量聚乙烯纤维挤出成型主机总成、超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具、纺丝总成。

优选的，该生产设备还包括超高分子量聚乙烯纤维料坯牵伸成型及表面敷塑模具和第二挤出机，其中第二挤出机将聚乙烯材料熔融挤出进入到超高分子量聚乙烯纤维料坯牵伸成型及表面敷塑模具的超高分子量聚乙烯纤维表面敷塑熔体流道中，涂覆在超高分子量聚乙烯纤维表面，形成具有一定厚度的聚乙烯涂层；所述的超高分子量聚乙烯纤维挤出成型主机总成包括第一挤出机，用于将带有加工助剂的超高分子量聚乙烯原料熔融挤出到所述的超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具中。

本发明还提供了一种超高分子量聚乙烯纤维生产方法，其特征在于将超高分子量聚乙烯粉料或粒料作为原料与适量的加工助剂混合均匀后送入超高分子量聚乙烯纤维挤出成型主机总成中的第一挤出机，依次经过输送、压实和加热后，由第一挤出机挤出，从第一挤出机高压挤出的熔点状态的混合料进入超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具，在料坯成型模具的喷丝口形成超高分子量聚乙烯熔融纤维料坯，熔融的超高分子量聚乙烯熔融纤维料坯进入超高分子量聚乙烯纤维料坯调质总成中，经过调质均化后，进入呈锥形收缩的超高分子量聚乙烯熔融纤维牵伸成型及表面敷塑模具中，使纤维料坯取向拉伸，同时，通过第二挤出机将低分子量聚乙烯原料塑化熔融，进入超高分子量聚乙烯熔融纤维牵伸成型及表面敷塑模具，在牵伸成型及表面敷塑模具的口模处附着在超高分子量聚乙烯熔融料坯表面上，附着有低分子量聚乙烯材料的纤维料坯在纺丝总成5的牵拉下进行取向拉伸，完成具有易熔合界面的超高分子量聚乙烯纤维生产。

 

附图说明

以下，将结合说明书附图对本发明做进一步的说明，其中：

图1显示了根据本发明的第一实施例的超高分子量纤维生产设备的示意图；

图2显示了根据本发明的另一实施例的超高分子量纤维生产设备的示意图；

图3显示了根据本发明的另一实施例的超高分子量纤维生产设备的示意图；

图4显示了根据本发明的另一实施例的超高分子量纤维生产设备的示意图。

具体实施方式

以下将结合不同的具体例对本发明进行详细说明，需要说明的是，以下实施例仅作为示例说明之用，本领域技术人员知晓在本发明覆盖的范围下还可以有多少不同的实施方式，这些均落入本发明要求保护的范围之内。除非有特别的说明，否则相同的附图标记表示相同的部件。

 实施例一 

UHMWPE料坯成型模具1；UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模具2；UNMWPE挤出成型主机总成3； UHMWPE料坯调质总成4； 纺丝总成5；UHMWPE料坯挤出成型模体6；UHMWPE料坯挤出成型模芯7；UHMWPE料胚牵引成型模芯8； UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模体9；UHMWPE料胚成型流道10；UHMWPE料胚牵拉锥形通道11；UHMWPE纤维表面敷塑熔体流道12；料胚调质长度13；第二挤出机14，第一挤出机15。

如图1所示，根据本发明的超高分子量纤维生产设备包括UNMWPE挤出成型主机总成3、UHMWPE料坯成型模具1、UHMWPE料坯调质总成4、UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模具2、纺丝总成5以及第二挤出机14。

其中，UNMWPE挤出成型主机总成1包括第一挤出机15，该第一挤出机可以采用双螺杆挤出机或者柱塞挤出机。本领域技术人员知晓的是，也可以采用其他类型的能够实现超高分子量聚乙烯材料熔融成型的挤出机。

UHMWPE料坯成型模具1包括UHMWPE料坯挤出成型模体6和UHMWPE料坯挤出成型模芯7。如图1中所示，该实施例中的UHMWPE料坯挤出成型模体6呈长方体形（当然，也可以使用其他合适的形状，例如圆柱形等），可以将熔融塑化的超高分子量聚乙烯熔融料经过分流，进入内置的一个或多个（数量根据工艺需要设计）的UHMWPE料坯挤出成型模芯7中。根据需要，所述UHMWPE料坯挤出成型模芯7可以横向和/或纵向进行阵列式排列，以便提高生产效率。本领域技术人员知晓的是，当UHMWPE料坯挤出成型模芯7进行阵列分布时，后续的设备也相应的需要阵列分布。如图1所示，UHMWPE料坯挤出成型模芯7是可以安装到UHMWPE料坯挤出成型模体6中的纤维料坯成型模芯。该成型模芯的流道呈现圆锥形，圆锥形的流道能够使熔融状态的混合料在流动过程中发生取向分布，使UHMWPE分子沿流动方向进行分布，圆锥形的流道的圆锥角一般设计成25~40°，这样有利于大分子沿流动方向分布。UHMWPE料坯挤出成型模芯7在口模段具有圆柱形的流道。圆柱形的流道根据工艺需要可以设计成不同口径不同长度，一般长度为50~100mm，并在这口模成型段设置可将混合料快速加热至高温（瞬时高温的表述似乎不符合通常的习惯）的加热器，加热温度一般控制在300~350℃。混合料中的加工助剂在高温和取向拉伸的作用下析出到纤维表面，更有利于纤维的取向拉伸。同时由于在短时间内高功率加热，可以避免塑料发生降解。

UHMWPE料坯调质总成4是安装在UHMWPE料坯成型模具1之后的温度调节装置。该装置将对UHMWPE料坯进行冷却，类似于一个恒温箱，通过冷空气循环调节温度，可用于在生产过程中调节挤出料坯的温度。该装置可以很简便的进行拆装，该装置的长度可调，便于料坯在不同的生产速度下通过调整料坯调质长度，从而获得料坯进入UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模具2时所需的恰当的工艺参数。料坯调质长度13根据生产速度进行调节，长度通常为1-4米。UHMWPE料坯在UHMWPE料坯调质总成4内进行温度调节的过程中还进行预拉伸，使UHMWPE纤维发生预取向，进而提高纤维的最终强度。预拉伸的程度根据最终产品的要求设定。调质温度一般控制在100-230℃，最终应能够保证纤维料坯在进入UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模具2时达到粘弹态，以便进行后续的加工。

UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模具2包括UHMWPE料坯牵伸成型模芯8和UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模体9。其实现两步功能：首先将经过调质的UHMWPE料坯经过UHMWPE料坯牵伸成型模芯8牵伸使UHMWPE料坯变成具有一定取向度的纤维，由于牵伸过程将料坯变细，料坯表面会变得粗糙，这时聚乙烯材料通过第二挤出机熔融挤出进入UHMWPE纤维表面敷塑熔体流道12，涂覆在UHMWPE纤维表面上，形成具有一定厚度的聚乙烯涂层。该流道12的口径可根据工艺需要设计成相应的口径，从而得到设定纤维直径和设定涂层厚度的纤维预拉伸料坯。

随后，涂敷后的纤维预拉伸料坯进入到纺丝总成5中，按照常规熔融纺丝工艺进行进一步的加工，从而成为具有易融合界面的UHMWPE纤维。由于纺丝总成5是领域内众所周知的部件，其结构及作用在此不再赘述。

与上述设备相对应的工艺流程可简单概括为：将超高分子量聚乙烯粉料或粒料作为原料与适量的加工助剂混合均匀后送入UNMWPE挤出成型主机总成3中的第一挤出机，依次经过输送、压实和加热后，由第一挤出机挤出。从第一挤出机高压挤出的熔点状态的混合料进入UHMWPE料坯成型模具2，在料坯成型模具的喷丝口形成超高分子量聚乙烯熔融纤维料坯。熔融的高分子量聚乙烯熔融纤维料坯进入UHMWPE料坯调质总成4中，经过调质均化后，进入呈锥形收缩的牵伸成型及表面敷塑模具2中，使纤维料坯取向拉伸，同时，通过第二挤出机将普通分子量聚乙烯原料塑化熔融，进入牵伸成型及表面敷塑模具2，在牵伸成型及表面敷塑模具的口模处附着在超高分子量聚乙烯熔融料坯表面上。附着有低分子量聚乙烯材料的纤维料坯在纺丝总成5的牵拉下进行取向拉伸，完成具有易熔合界面的超高分子量聚乙烯纤维生产。

实施例二

如图2所示，其显示了根据本发明的超高分子量纤维生产设备的第二实施例。为简明起见，与实施例一中相同的部件不再重复进行说明。第二实施例与第一实施例的区别在于：不再包括专门的UHMWPE料坯调质总成，从UHMWPE料胚成型模具1中流出的料胚经过室温环境的冷却后，即可以获得适当的工艺条件，进入到料坯牵伸成型及表面敷塑模具2中。这是因为对于某些材料而言，不采用料胚调质总成，仅仅室温的普通环境适当调节料胚冷却长度就能够满足生产工艺要求。

实施例三

如图3所示，其显示了根据本发明的超高分子量纤维生产设备的第三实施例。为简明起见，结构及功能相同的部件不再重复进行说明。

在本实施例中，UHMWPE料胚成型模具采用一体化结构，即UHMWPE料胚挤出成型模体和UHMWPE料胚挤出成型模芯合为一体。

实施例四

如图4所示，其显示了根据本发明的超高分子量纤维生产设备的第四实施例。为简明起见，结构及功能相同的部件不再重复进行说明。

在本实施例中， UHMPWE料胚牵引成型及表面敷塑模具采用一体化结构，即UHMWPE料胚牵引成型模芯与 UHMWPE料坯牵伸成型及表面敷塑模体合为一体。

此外，本发明的各个实施例均可以采用阵列的排列方式，实现多支纤维成型，这时将上述单列的成型工艺装备进行阵列设计，即可实现。仍然是本发明的内容。

本领域人员已知的是，以上实施例以及附图均只作为示例使用，并不构成对本发明的具体限定，在本发明请求保护的范围下，还可以有多种不同的变形和改动，均属于本发明覆盖的范畴。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其包括超高分子量聚乙烯纤维挤出成型主机总成（3）、超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具（1）、纺丝总成（5）。

2.如权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其特征在于，该生产设备还包括超高分子量聚乙烯纤维料坯牵伸成型及表面敷塑模具（2）和第二挤出机，其中第二挤出机将聚乙烯材料熔融挤出进入到超高分子量聚乙烯纤维料坯牵伸成型及表面敷塑模具（2）的超高分子量聚乙烯纤维表面敷塑熔体流道中，涂覆在超高分子量聚乙烯纤维表面，形成具有一定厚度的聚乙烯涂层；所述的超高分子量聚乙烯纤维挤出成型主机总成（3）包括第一挤出机，用于将带有加工助剂的超高分子量聚乙烯原料熔融挤出到所述的超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具（1）中。

3.如权利要求2所述的超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具（1）包括超高分子量聚乙烯纤维料坯挤出成型模体（6）和超高分子量聚乙烯纤维料坯挤出成型模芯（7），所述超高分子量聚乙烯纤维料坯挤出成型模芯（7）中的流道呈现圆锥形，圆锥形的流道能够使熔融状态的混合料在流动过程中发生取向分布，所述圆锥形的流道的圆锥角设计成25~40°。

4.如权利要求2-3之任一所述的超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯纤维料坯牵伸成型及表面敷塑模具（2）包括超高分子量聚乙烯纤维料胚牵引成型模芯（8）和超高分子量聚乙烯纤维料坯牵伸成型及表面敷塑模体（9）。

5.如权利要求2-4之任一所述的超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其特征在于，还包括超高分子量聚乙烯纤维调质总成（4），且所述超高分子量聚乙烯纤维调质总成（4）的料胚调质长度是可调节的。

6.如权利要求2-5之任一所述的超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具（1）采用一体化结构。

7.如权利要求2-6之任一所述的超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯纤维料坯牵伸成型及表面敷塑模具（2）采用一体化结构。

8.如权利要求2-6之任一所述的超高分子量聚乙烯纤维生产设备，其特征在于，在所述的超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具（1）的口模部位设有可将混合料快速加热至高温的加热器。

9.一种利用如权利要求1或2所述的超高分子量聚乙烯纤维生产设备的生产方法，其特征在于将超高分子量聚乙烯粉料或粒料作为原料与适量的加工助剂混合均匀后送入超高分子量聚乙烯纤维挤出成型主机总成（3）中的第一挤出机，依次经过输送、压实和加热后，由第一挤出机挤出，从第一挤出机高压挤出的熔点状态的混合料进入超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具（2），在料坯成型模具的喷丝口形成超高分子量聚乙烯熔融纤维料坯，熔融的超高分子量聚乙烯熔融纤维料坯进入超高分子量聚乙烯纤维料坯调质总成（4）中，经过调质均化后，进入呈锥形收缩的超高分子量聚乙烯熔融纤维牵伸成型及表面敷塑模具（2）中，使纤维料坯取向拉伸，同时，通过第二挤出机将低分子量聚乙烯原料塑化熔融，进入超高分子量聚乙烯熔融纤维牵伸成型及表面敷塑模具（2），在牵伸成型及表面敷塑模具的口模处附着在超高分子量聚乙烯熔融料坯表面上，附着有低分子量聚乙烯材料的纤维料坯在纺丝总成（5）的牵拉下进行取向拉伸，完成具有易熔合界面的超高分子量聚乙烯纤维生产。

10.一种如权利要求9所述的生产方法，其特征在于在所述的超高分子量聚乙烯纤维料坯成型模具（1）的口模部位将混合料加热到300-350℃。