CN104294401A - 一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，将超高分子量聚乙烯粉末和抗氧剂按照100：0.05~0.1的质量比放入十氢萘溶剂中，制成超高分子量聚乙烯质量浓度为7~10%的十氢萘悬浮液，将改性的低熔点聚乙烯溶液和超高分子量聚乙烯十氢萘溶液分别挤出后按照容积比1：4~4：1经过异形喷丝板，冷却成凝胶原丝，将得到的初生丝经过多级牵伸和热定型，得到纤维强度为24.0~36.0cN/dtex、纤维模量为927.5~1327.4cN/dtex的复合纤维。本发明通过在聚乙烯中添加改性剂，再与添加抗氧剂的超高分子量聚乙烯，经过复合纺丝制得复合结构纤维，该纤维保持了超高分子量聚乙烯高强度、高模量和防切割特性，并广泛应用于电力、化工、海洋等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合纤维的制备方法，具体涉及一种超高分子量聚乙烯复合纤维的制造方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是当今世界三大高科技纤维之一，具有众多的优异特性，如高强度、高模量、质量轻、化学性能稳定、耐磨耐弯曲性、防切割性等，是用于航空航天、防弹防刺等国防领域和海上油田的系泊绳、劳动保护用品等民用领域的理想材料。
复合纤维是指由两种或两种以上聚合物熔体，利用其品种、粘度或配比不同，分别通过各自的熔体管道，在由多块分配板组合而成的复合组件进行分配，到达喷丝板时以各种方式汇合，形成复合熔体流，从同一喷丝孔中喷出成丝束，这样形成的丝束就是复合纤维。其中两种组分的复合纤维成为双组分纤维。
迄今为止，由于超高分子量聚乙烯纤维的加工较困难，关于超高分子量聚乙烯并列/皮芯复合纤维的研究尚未有所报道。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，可得到具有高强度、高模量和防切割等性能的纤维。
技术方案：一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，将超高分子量聚乙烯粉末和抗氧剂按照100：0.05~0.1的质量比放入十氢萘溶剂中，制成超高分子量聚乙烯质量浓度为7~10%的十氢萘悬浮液，将改性的低熔点聚乙烯溶液和超高分子量聚乙烯十氢萘溶液分别挤出后按照容积比1：4~4：1经过异形喷丝板，冷却成凝胶原丝，将得到的初生丝经过多级牵伸和热定型，得到纤维强度为24.0~36.0cN/dtex、纤维模量为927.5~1327.4cN/dtex的复合纤维。
进一步，聚乙烯的改性方法为：在聚乙烯中按100：0.05~0.1的质量比加入抗氧剂，同时按100：0.5~2的质量比加入抗静电剂或按100：15~20的质量比加入阻燃剂，投入十氢萘溶剂制成超高分子量聚乙烯质量浓度为7~10%的十氢萘悬浮液。由于聚乙烯在高温下极易被氧化而降解，抗氧剂能抑制或阻止聚合物热氧化的进程；抗静电剂多系表面活性剂，可使纤维表面亲合水分，具有导电作用，因而可以使静电及时泄漏，而阻燃剂可以阻止纤维材料被引燃或抑制火焰扩散。
优选的，所述抗氧剂由受阻酚类、有机亚磷酸酯类或其复配抗氧剂组成，所述抗静电剂由单甘脂类、乙氧基胺类中至少一种组成，所述阻燃剂为十溴联苯醚及三氧化二锑的复配阻燃剂；复配抗氧剂和复配阻燃剂为两种单一抗氧剂、阻燃剂按质量比为1：2~2：1进行配比。
优选的，所述受阻酚类抗氧剂为二丁基羟基甲苯或β-（3.5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇脂，所述有机亚磷酸酯类抗氧剂为双（2，4-二叔丁基苯酚）季戊四醇二亚磷酸酯、三（2.4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯；所述单甘脂类抗静电剂为单十八烷酸甘油酯或单硬脂酸甘油酯，所述乙氧基胺类抗静电剂为乙氧基月桂酷胺或甘油一硬脂酸酯。
进一步，将超高分子量聚乙烯、抗氧剂和十氢萘溶剂在96~100℃下搅拌预溶胀0.5~3h，避免熔体纺丝过程造成纺丝溶液的不均匀而出现毛丝、断头等缺陷。
进一步，超高分子量聚乙烯与改性聚乙烯经过孔径为0.2~0.6mm、孔数为80~120孔的异形喷丝板进行喷丝。若孔径小，在牵伸过程中易断头；若孔径大，受热不均匀，牵伸过程难以进行。
改性聚乙烯在一根双螺杆中挤压、计量，超高分子量聚乙烯在另一根双螺杆中挤压、计量后，再进入同一喷丝组件，两种溶液在喷丝组件内各自行走，直到喷丝孔处汇合并挤出喷丝孔，制造并列复合纤维的异形喷丝板为双十字孔形，皮芯复合纤维的异形喷丝板为同轴圆形。
优选的，冷却速度为30~80℃/min，以保证凝胶原丝的低缠结形态和防止丝条之间的粘连。若冷却速度过快，甬道中空气流动速度快，丝条易被吹动而发生粘连；弱冷却速度慢，丝条的热量来不急散去，凝胶原丝易缠结。
进一步，牵伸工艺为：一级拉伸温度75~90℃，拉伸倍数3~8；二级拉伸温度90~105℃，拉伸倍数3~8；三级拉伸温度100~115℃，拉伸倍数2.0~3.0；四级拉伸温度105~120℃，拉伸倍数1.3~2.0，总拉伸倍数为23.4~256。由于一次牵伸的倍数有限，常采用多次牵伸来完成，牵伸倍数越大，分子链沿纤维轴取向，机械性能越好。
进一步，热定型工艺为：110~130℃下进行紧张热定型2~5秒，在120~130℃下进行松弛热定型1~5分钟后，以消除内应力，保持定形。
有益效果：本发明通过在聚乙烯中添加改性剂，较好的改善了常规聚乙烯纤维的性能，再与添加抗氧剂的超高分子量聚乙烯，经过复合纺丝制得复合结构纤维，该纤维保持了超高分子量聚乙烯高强度、高模量和防切割特性，并广泛应用于电力、化工、海洋等领域，特别适合煤炭、矿山等具有抗静电、阻燃等特殊要求的行业。
附图说明
图1为本发明制备方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：
实施例1：一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯并列抗静电复合纤维的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
1、改性低熔点聚乙烯：将聚乙烯加入到双螺杆的主进料口，改性剂加入到侧进料口，改性剂为抗氧剂和抗静电剂，聚乙烯与其按质量比100：0.1：1的比例加入双螺杆中，制备聚乙烯质量浓度为9%的十氢萘溶液，沿挤出方向各节机筒温度分别为135、145、150、150、155℃，机头温度为150℃ ，主机螺杆转速为20 r/min，加料螺杆转速为40 r/min；其中，抗氧剂为受阻酚类抗氧剂二丁基羟基甲苯，抗静电剂为单甘脂类抗静电剂单十八烷酸甘油酯。
2、超高分子量聚乙烯溶液的制备：将超高分子量聚乙烯和抗氧剂按照100：0.1的质量比加入到十氢萘溶剂中，在100℃下搅拌预溶胀1h，通过计量泵将其抽入双螺杆中，制备超高分子量聚乙烯质量浓度为9%的十氢萘溶液，沿挤出方向各节机筒温度分别为150、160、160、160、160℃，机头温度为150℃ ，主机螺杆转速为30 r/min，加料螺杆转速为65 r/min；其中，抗氧剂为受阻酚类抗氧剂二丁基羟基甲苯。
3、改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯复合纤维的制备：将改性聚乙烯溶液和超高分子量聚乙烯溶液一起分配到组件中，按照改性聚乙烯与超高分子量聚乙烯按照容积比2：3经过?=0.5mm、孔数为100孔的双十字孔形喷丝板，挤出至甬道内部冷却凝固成凝胶原丝，冷却速度在50℃/min，以保证凝胶原丝的低缠结形态和防止丝条之间的粘连，将此凝胶原丝喂入热拉伸甬道内，以卷绕装置对其进行热拉伸。
4、将得到的初生丝经过多级牵伸和热定型，制得改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯并列复合纤维成品：牵伸工艺为：一级拉伸温度80℃，拉伸倍数5，二级拉伸温度100℃，拉伸倍数5，三级拉伸温度105℃，拉伸倍数2.4，四级拉伸温度110℃，拉伸倍数1.8，总拉伸倍数为108。然后在120℃下进行紧张热定型3秒，在125℃下进行松弛热定型2分钟后，得到改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯并列复合纤维成品。
所得复合纤维的强度为24.3cN/dtex，模量为1235.9 cN/dtex。
实施例2：一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯并列阻燃复合纤维的制备方法，与实施例1大致相同，所不同的是：
1、改性聚乙烯的制备工艺如下：将聚乙烯加入到双螺杆的主进料口，改性剂加入到侧进料口，改性剂为抗氧剂和阻燃剂，按质量比100：0.1：15加入，制备出聚乙烯质量浓度为7%的十氢萘溶液。沿挤出方向各节机筒温度分别为135、145、150、150、155℃，机头温度为150℃ ，主机螺杆转速为20 r/min，加料螺杆转速为40 r/min。其中，抗氧剂为受阻酚类抗氧剂β-（3.5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇脂，阻燃剂为十溴联苯醚及三氧化二锑按质量比为1：1的复配阻燃剂。
2、超高分子量聚乙烯溶液的制备：将超高分子量聚乙烯和抗氧剂按照100：0.05的质量比加入到十氢萘溶剂中，通过计量泵将其抽入双螺杆中，制备超高分子量聚乙烯质量浓度为7%的十氢萘溶液，在98℃下搅拌预溶胀2h，通过计量泵将其抽入双螺杆中，制备超高分子量聚乙烯质量浓度为10%的十氢萘溶液，抗氧剂为受阻酚类抗氧剂β-（3.5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇脂。
3、改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯复合纤维的制备：将改性聚乙烯溶液和超高分子量聚乙烯溶液一起分配到组件中，按照改性聚乙烯与超高分子量聚乙烯容积比为2：1的比例经过?=0.4mm、孔数为110孔的双十字孔形喷丝板，挤出至甬道内部冷却凝固成凝胶原丝，冷却速度在70℃/min。
最后得到改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯并列复合纤维成品，所得复合纤维强度为32.4cN/dtex，模量为982.5cN/dtex。
实施例3：一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯皮芯抗静电复合纤维的制备方法：
1、改性低熔点聚乙烯：将聚乙烯加入到双螺杆的主进料口，改性剂加入到侧进料口，改性剂为抗氧剂和抗静电剂，按比例为100：0.08：2，制备出聚乙烯质量浓度为8%的十氢萘溶液；其中，抗氧剂为受阻酚类抗氧剂二丁基羟基甲苯和β-（3.5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇脂按照质量比为1：1的复配抗氧剂，静电剂为乙氧基胺类抗静电剂乙氧基月桂酷胺。
2、超高分子量聚乙烯溶液的制备：将超高分子量聚乙烯和抗氧剂按照100：0.08的质量比加入到十氢萘溶剂中，在96℃下搅拌预溶胀3h，通过计量泵将其抽入双螺杆中，制备超高分子量聚乙烯质量浓度为8%的十氢萘溶液；抗氧剂为二丁基羟基甲苯和β-（3.5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇脂按照质量比为1：2的复配抗氧剂。
3、改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯复合纤维的制备：将改性聚乙烯溶液和超高分子量聚乙烯溶液一起分配到组件中，按照改性聚乙烯与超高分子量聚乙烯质量比为3：1的比例经过?=0.5mm、孔数为100孔的同轴圆形喷丝板，挤出至甬道内部冷却凝固成凝胶原丝，冷却速度在30℃/min。
4、将得到的初生丝经过多级牵伸和热定型，制得改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯并列复合纤维成品：牵伸工艺为：一级拉伸温度85℃，拉伸倍数7，二级拉伸温度95℃，拉伸倍数7，三级拉伸温度110℃，拉伸倍数2.5，四级拉伸温度115℃，拉伸倍数1.5，总拉伸倍数为183.75。然后在125℃下进行紧张热定型4秒，在125℃下进行松弛热定型3分钟后，得到改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯皮芯复合纤维成品。
所得复合纤维强度为28.6cN/dtex，模量为1189.4cN/dtex。
实施例4：一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯皮芯阻燃复合纤维的制备方法，与实施例3大致相同，所不同的是：
1、改性聚乙烯的制备工艺如下：将聚乙烯加入到双螺杆的主进料口，改性剂加入到侧进料口，改性剂为抗氧剂和阻燃剂，按比例为100：0.08：20的比例加入，制备出聚乙烯质量浓度为8%的十氢萘溶液，沿挤出方向各节机筒温度分别为135、145、150、150、155℃，机头温度为150℃ ，主机螺杆转速为20 r/min，加料螺杆转速为40 r/min；其中，阻燃剂为十溴联苯醚及三氧化二锑的按质量比为1：2的复配阻燃剂，抗氧剂为受阻酚类抗氧剂二丁基羟基甲苯和有机亚磷酸酯类抗氧剂双（2，4-二叔丁基苯酚）季戊四醇二亚磷酸酯按照质量比为2：1的复配抗氧剂。
2、超高分子量聚乙烯溶液的制备：将超高分子量聚乙烯和抗氧剂按照100：0.08的质量比加入到十氢萘溶剂中，在100℃下搅拌预溶胀0.5h，，通过计量泵将其抽入双螺杆中，制备超高分子量聚乙烯质量浓度为8%的十氢萘溶液；抗氧剂为有机亚磷酸酯类抗氧剂双（2，4-二叔丁基苯酚）季戊四醇二亚磷酸酯。
3、改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯复合纤维的制备：将改性聚乙烯溶液和超高分子量聚乙烯溶液一起分配到组件中，按照改性聚乙烯与超高分子量聚乙烯质量比为4：1的比例经过?=0.3mm、孔数为90孔的同轴圆形喷丝板，挤出至甬道内部冷却凝固成凝胶原丝，冷却速度在80℃/min。
最后得到改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯皮芯复合纤维成品，所得复合纤维强度为33.8cN/dtex，模量为1002.4cN/dtex。
实施例5：与实施例1大致相同，所不同的是改性聚乙烯的方法为在聚乙烯中按照100：0.05：0.5的质量比加入抗氧剂和抗静电剂，再制备出聚乙烯质量浓度为10%的十氢萘溶液。超高分子量聚乙烯和抗氧剂按照100：0.07的质量比加入到十氢萘溶剂中，制备超高分子量聚乙烯质量浓度为10%的十氢萘溶液。抗氧剂为有机亚磷酸酯类抗氧剂三（2.4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯，抗静电剂为单甘脂类抗静电剂单硬脂酸甘油酯和甘油一硬脂酸酯。按照改性聚乙烯与超高分子量聚乙烯质量比为1：4的比例经过?=0.6mm、孔数为80孔的双十字孔形喷丝板。将得到的初生丝经过多级牵伸和热定型，制得改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯并列复合纤维成品：牵伸工艺为：一级拉伸温度75℃，拉伸倍数3，二级拉伸温度90℃，拉伸倍数3，三级拉伸温度100℃，拉伸倍数2，四级拉伸温度105℃，拉伸倍数1.3，总拉伸倍数为23.4。然后在110℃下进行紧张热定型2秒，在120℃下进行松弛热定型1分钟后，得到改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯并列复合纤维成品。
实施例6：与实施例3大致相同，所不同的是改性聚乙烯的方法为在聚乙烯中按照100：0.05：18的质量比加入抗氧剂和阻燃剂，再制备出聚乙烯质量浓度为10%的十氢萘溶液。超高分子量聚乙烯和抗氧剂按照100：0.07的质量比加入到十氢萘溶剂中，制备超高分子量聚乙烯质量浓度为10%的十氢萘溶液。抗氧剂为有机亚磷酸酯类抗氧剂双（2，4-二叔丁基苯酚）季戊四醇二亚磷酸酯，阻燃剂为十溴联苯醚和三氧化二锑按质量比为2：1的复配阻燃剂。按照改性聚乙烯与超高分子量聚乙烯质量比为1：1的比例经过?=0.2mm、孔数为120孔的同轴圆形喷丝板。将得到的初生丝经过多级牵伸和热定型，制得改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯并列复合纤维成品：牵伸工艺为：一级拉伸温度90℃，拉伸倍数8，二级拉伸温度105℃，拉伸倍数8，三级拉伸温度115℃，拉伸倍数3，四级拉伸温度120℃，拉伸倍数2.0，总拉伸倍数为256。然后在130℃下进行紧张热定型5秒，在130℃下进行松弛热定型5分钟后，得到改性聚乙烯/超高分子量聚乙烯皮芯复合纤维成品。
Claims (10)
1.一种改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：将超高分子量聚乙烯粉末和抗氧剂按照100：0.05~0.1的质量比放入十氢萘溶剂中，制成超高分子量聚乙烯质量浓度为7~10%的十氢萘悬浮液，将改性的低熔点聚乙烯溶液和超高分子量聚乙烯十氢萘溶液分别挤出后按照容积比1：4~4：1经过异形喷丝板，冷却成凝胶原丝，将得到的初生丝经过多级牵伸和热定型，得到纤维强度为24.0~36.0cN/dtex、纤维模量为927.5~1327.4cN/dtex的复合纤维。
2.根据权利要求1所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：聚乙烯的改性方法为：在聚乙烯中按100：0.05~0.1的质量比加入抗氧剂，同时按100：0.5~2的质量比加入抗静电剂或按100：15~20的质量比加入阻燃剂，投入十氢萘溶剂制成超高分子量聚乙烯质量浓度为7~10%的十氢萘悬浮液。
3.根据权利要求1或2所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：所述抗氧剂由受阻酚类、有机亚磷酸酯类或其复配抗氧剂组成，所述抗静电剂由单甘脂类、乙氧基胺类中至少一种组成，所述阻燃剂为十溴联苯醚及三氧化二锑的复配阻燃剂；复配抗氧剂和复配阻燃剂为两种单一抗氧剂、阻燃剂按质量比为1：2~2：1进行配比。
4.根据权利要求3所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：所述受阻酚类抗氧剂为二丁基羟基甲苯或β-（3.5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇脂，所述有机亚磷酸酯类抗氧剂为双（2，4-二叔丁基苯酚）季戊四醇二亚磷酸酯或三（2.4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯；所述单甘脂类抗静电剂为单十八烷酸甘油酯或单硬脂酸甘油酯，所述乙氧基胺类抗静电剂为乙氧基月桂酷胺或甘油一硬脂酸酯。
5.根据权利要求1所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：将超高分子量聚乙烯、抗氧剂和十氢萘溶剂在96~100℃下搅拌预溶胀0.5~3h。
6.根据权利要求1所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：超高分子量聚乙烯与改性聚乙烯经过孔径为0.2~0.6mm、孔数为80~120孔的异形喷丝板进行喷丝。
7.根据权利要求6所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：改性聚乙烯在一根双螺杆中挤压、计量，超高分子量聚乙烯在另一根双螺杆中挤压、计量后，再进入同一喷丝组件，两种溶液在喷丝组件内各自行走，直到喷丝孔处汇合并挤出喷丝孔，制造并列复合纤维的异形喷丝板为双十字孔形，皮芯复合纤维的异形喷丝板为同轴圆形。
8.根据权利要求1所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：冷却速度为30~80℃/min。
9.根据权利要求1所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：牵伸工艺为：一级拉伸温度75~90℃，拉伸倍数3~8；二级拉伸温度90~105℃，拉伸倍数3~8；三级拉伸温度100~115℃，拉伸倍数2.0~3.0；四级拉伸温度105~120℃，拉伸倍数1.3~2.0，总拉伸倍数为23.4~256。
10.根据权利要求1所述的改性聚乙烯-超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，其特征在于：热定型工艺为：110~130℃下进行紧张热定型2~5秒，在120~130℃下进行松弛热定型1~5分钟后。
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