CN104404640B - 一种超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其包括使超高分子量聚乙烯原丝在第一牵伸辊的牵引下通过依次设置的多级第一热箱进行多级牵伸并收卷的步骤，其中，使多级牵伸的牵伸形变速率逐级变小，且控制总牵伸形变速率为70~130秒^‑1，此外，控制超高分子量聚乙烯原丝在所述多级第一热箱中的总停留时间为60~130秒，且使多级牵伸中每一级的停留时间逐级减少。本发明通过多级拉伸中拉伸形变速率及丝束在热箱中的停留时间的变化控制拉伸过程中超分子结构的形成，从而减小拉伸过程中大分子链间的滑移，使超高分子量聚乙烯纤维得到有效拉伸，实现纤维力学性能的提高。

Description

一种超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法

技术领域

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)具有比强度高、耐化学腐蚀、抗老化性能优良、耐低温等优点，因此被广泛应用于防弹防护、复合材料运动装备及海洋工程等领域中，具体如防弹衣、防切割手套、防爆服、皮艇、独木舟、自行车、船、钓鱼线、海洋绳缆、帆等。超高分子量聚乙烯之所以有上述的优异性能，主要得益于超高分子量聚乙烯伸直链结构的形成。在凝胶纺丝方法发明之前，当时的聚乙烯纤维纺丝方法只能形成聚乙烯的折叠链结构，折叠链结构不能有效的传送载荷，因此纤维强度较低。而凝胶纺丝方法结合超倍拉伸技术的应用，使得可以制备出具有伸直链结构的聚乙烯纤维，聚乙烯伸直链结构可以有效的传送载荷，因此聚乙烯纤维的力学性能大大提高。由此可见，超高分子量聚乙烯纤维的力学性能与形成纤维的超高分子量聚乙烯的链结构有着密切的联系，而后牵伸工艺对超高分子量聚乙烯结构的形成起着至关重要的作用。如何优化后牵伸工艺，使超高分子量聚乙烯折叠链结构有效的、最大程度的转变成伸直链结构对于制备高强高模聚乙烯纤维至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法以提高超高分子量聚乙烯纤维的力学性能。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其包括第一次牵伸，该第一次牵伸包括使超高分子量聚乙烯原丝在第一牵伸辊的牵引下通过依次设置的多级第一热箱进行多级牵伸并通过第一卷绕辊筒收卷的步骤，第一牵伸辊包括设置在多级第一热箱中第一级第一热箱的前方的第一进料辊、设置在相邻二级第一热箱之间的第一中间辊、设置在多级第一热箱中最后一级第一热箱的后方的第一出料辊，特别是，进行第一次牵伸时，使多级牵伸的牵伸形变速率逐级变小，且控制第一次牵伸的总牵伸形变速率为70～130秒^-1，各级的牵伸形变速率为该级第一热箱后方的第一牵伸辊的卷绕速度与其前方的第一牵伸辊的卷绕速度之差与该级第一热箱的长度的比值，所述的总牵伸形变速率为第一出料辊的卷绕速度与第一进料辊的卷绕速度之差与所述多个第一热箱的总长度的比值，此外，控制所述的超高分子量聚乙烯原丝在所述多级第一热箱中的总停留时间为60～130秒，且使所述多级牵伸中每一级的停留时间逐级减少。

根据本发明，所述第一次牵伸的总倍数可以为5～100倍，优选为5～60倍，更优选10～30倍。所述第一次牵伸优选共有3～5级牵伸。

优选地，多级第一热箱中第一级第一热箱的长度为多级第一热箱中其余第一热箱的长度的0.6～0.9倍。

优选地，多级第一热箱的温度在100-165℃之间，且后一级第一热箱的温度大于前一级第一热箱的温度。

优选地，第一牵伸辊中的第一进料辊和第一中间辊的温度分别为60～130℃，第一出料辊的温度为10～40℃。

根据本发明的进一步优选方案：所述的牵伸方法还包括在第一次牵伸后进行的更多次牵伸。所述更多次牵伸包括第二次牵伸，该第二次牵伸包括使第一次牵伸后的丝束在第二牵伸辊的牵引下通过一级第二热箱或依次设置的多级第二热箱进行一级或多级牵伸并通过第二卷绕辊筒收卷的步骤，第二牵伸辊包括位于一级第二热箱前方的第二进料辊、位于所述一级第二热箱或多级第二热箱中最后一级第二热箱后方的第二出料辊和在第二热箱有多级时位于相邻二个第二热箱之间的第二中间辊，进行第二次牵伸时，控制第二次牵伸的总牵伸形变速率为40～80秒^-1，第二次牵伸的总牵伸形变速率为第二出料辊的卷绕速度与第二进料辊的卷绕速度之差与一级第二热箱的长度或多级第二热箱的总长度的比值，如有多级牵伸，则使牵伸形变速率逐级变小，各级的牵伸形变速率为该级第二热箱后方的第二牵伸辊的卷绕速度与其前方的第二牵伸辊的卷绕速度之差与该级第二热箱的长度的比值；此外，控制丝束在所述一级或多级第二热箱中的总停留时间为40～70秒，如第二次牵伸有多级牵伸，则使该多级牵伸的每一级牵伸的停留时间逐级减少。

采用多次牵伸的方案与仅采用一次的方案相比不仅有利于纤维力学性能的提高，而且同时使牵伸工艺过程更易控制。

优选地，所述第二次牵伸的牵伸级数为一级、二级或三级，其中以一级或二级为更优选。

优选地，第二牵伸辊中第二进料辊的温度为60～130℃，第二出料辊的温度为10～40℃，第二热箱的温度在100-165℃之间。

根据一个具体方面，所述第二热箱有多级，第二次牵伸包括多级牵伸，多级第二热箱中的第一级第二热箱的长度为其余第二热箱的长度的0.6～0.9倍，后一级第二热箱的温度大于前一级第二热箱的温度，第二牵伸辊中的第二中间辊的温度为60～130℃。

根据本发明，所述更多次牵伸还可以包括第三次牵伸，第三次牵伸包括使第二次牵伸后的丝束在第三牵伸辊的牵引下通过一级或依次设置的二级第三热箱进行一级或二级牵伸并通过第三卷绕辊筒收卷的步骤，其中控制第三次牵伸的总牵伸形变速率为30～60秒^-1，控制丝束在一级或二级第三热箱中的总停留时间为30～60秒，如为二级牵伸，则控制后一级牵伸的停留时间小于前一级牵伸的停留时间。

根据本发明，所述更多次牵伸的总牵伸倍数可以为3～30倍，优选为3～20倍。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优势：

本发明通过多级拉伸中拉伸形变速率及丝束在热箱中的停留时间的变化控制拉伸过程中超分子结构的形成，从而减小拉伸过程中大分子链间的滑移，使超高分子量聚乙烯纤维得到有效拉伸，实现纤维力学性能的提高。本发明还进一步通过多次牵伸，使超高分子量聚乙烯纤维中的折叠链结构最大化地转变成伸直链结构，从而提高超高分子量聚乙烯纤维的机械性能，并减少生产中的毛丝、断头，提高产品质量及生产稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1本发明实施例1、4及比较例1所采用的牵伸装置的示意图；

图2为本发明实施例2和5采用的牵伸装置的示意图；

图3为发明实施例3和6采用的牵伸装置的示意图；

其中：10、第一进料辊；11、第一中间辊；12、第一出料辊；13、第一卷绕辊筒；2、第一热箱；30、第二进料辊；31、第二中间辊；32、第二出料辊；33、第二卷绕辊筒；4、第二热箱；50、第三进料辊；51、第三出料辊；52、第三卷绕辊筒；6、第三热箱；7、张力架。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例及比较例中的原丝(干冻胶丝)均采用相同的制备工艺制得，由于只是为了比较拉伸效果，干冻胶丝的制备不是重点，因此干冻胶丝的制备工艺简述如下：超高分子量聚乙烯特性粘度20dl/g，溶剂为白油，含固量10％，喷丝板孔径1mm，溶解温度250℃，萃取、干燥温度40℃。

比较例1

本例提供一种采用传统牵伸装置和方法对冻胶丝进行牵伸的方法。如图1所示，传统牵伸装置包括用于牵引冻胶丝丝束的第一牵伸辊、依次设置的四级第一热箱2(为描述方便，以下将这四级第一热箱2依次用1#，2#，3#，4#热箱表示)以及第一卷绕辊筒13。第一牵伸辊有多组，依次为设置在第一级第一热箱2前方的第一进料辊10、设置在相邻二级第一热箱2之间的三组第一中间辊11和设置在最后一级第一热箱2后方的第一出料辊12(为描述方便，以下将这五组第一牵伸辊依次用1#，2#，3#，4#，5#辊表示)。

参见图1，将干冻胶丝依次经过1#辊、1#热箱、2#辊、2#热箱、3#辊、3#热箱、4#辊、4#热箱、5#辊，最后由第一卷绕辊筒13卷绕成卷。具体工艺参数见表1和表2。

比较例2

相比比较例1少一级热牵伸，为三级热牵伸，将干冻胶丝依次经过1#辊、1#热箱、2#辊、2#热箱、3#辊、3#热箱、4#辊、4#箱、5#辊，最后卷绕成卷。具体工艺参数见表1和表2。

实施例1和4

本例提供一种改进的牵伸的方法，其采用如图1所示的传统牵伸装置，工艺流程是将干冻胶丝依次经过1#辊、1#热箱、2#辊、2#热箱、3#辊、3#热箱、4#辊、4#热箱、5#辊，最后由第一卷绕辊筒13卷绕成卷。改进之处在于工艺条件的改变，特别是对牵伸形变速率的控制和丝束在热箱中停留时间的控制。具体工艺参数见表1和表2。

实施例2和5

本例提供一种采用改进的牵伸装置和方法对冻胶丝进行牵伸的方法。如图2所示，改进的牵伸装置除了具有与图1相同的五组第一牵伸辊和四级第一热箱2外，还具有三组第二牵伸辊、二级第二热箱4和第二卷绕辊筒33。三组第二牵伸辊依次为设置在第二热箱4前方的第一进料辊30、设置在相邻二级第二热箱4之间的第二中间辊31和设置在最后一级第二热箱4后方的第二出料辊32(为描述方便，以下将这三组第二牵伸辊用1#，2#，3#辊表示，二级第二热箱4依次用1#，2#热箱表示)。此外，在第二牵伸辊的1#辊的前方还设有用于放置第一次牵伸后的丝卷的张力架7。

本例牵伸方法包括如下步骤：

1、第一次牵伸：使干冻胶丝进行第一次牵伸，具体为将干冻胶丝经过第一牵伸辊和第一热箱2的组合进行四级牵伸(干冻胶丝依次经过1#辊、1#热箱、2#辊、2#热箱、3#辊、3#热箱、4#辊、4#热箱、5#辊)，最后由第一卷绕辊筒13卷绕成卷；

2、第二次牵伸：将步骤1得到的丝卷置于张力架7上，使丝束依次经过第二牵伸辊和第二热箱4的组合进行二级牵伸(丝束依次经过1#辊、1#热箱、2#辊、2#热箱、3#辊)，最后由第二卷绕辊筒33卷绕成卷。

上述步骤的具体工艺参数参见表1和表2。

实施例3和6

本例提供一种采用改进的牵伸装置和方法对冻胶丝进行牵伸的方法。如图3所示，改进的牵伸装置除了具有与图2相同的五组第一牵伸辊、四级第一热箱2、三组第二牵伸辊和二级第二热箱4外，还具有二组第三牵伸辊、一级第二热箱6和第三卷绕辊筒52。二组第三牵伸辊分别为设于第三热箱6前方和后方的第三进料辊50和第三出料辊51(为描述方便，以下将这二组第三牵伸辊用1#，2#辊表示，一级第二热箱4用1#热箱表示)。此外，在第二牵伸辊的1#辊和第三牵伸辊的1#辊的前方分别设有张力架7。张力架7用于放置前一次牵伸后的丝卷。

本例牵伸方法包括如下步骤：

1、第一次牵伸：使干冻胶丝进行第一次牵伸，具体为将干冻胶丝经过第一牵伸辊和第一热箱2的组合进行四级牵伸(干冻胶丝依次经过1#辊、1#热箱、2#辊、2#热箱、3#辊、3#热箱、4#辊、4#热箱、5#辊)，最后由第一卷绕辊筒13卷绕成卷；

2、第二次牵伸：将步骤1得到的丝卷置于第二牵伸辊的1#辊前方的张力架7上，使丝束依次经过第二牵伸辊和第二热箱4的组合进行二级牵伸(丝束依次经过1#辊、1#热箱、2#辊、2#热箱、3#辊)，最后由第二卷绕辊筒33卷绕成卷。

3、第三次牵伸：将步骤2得到的丝卷置于第三牵伸辊的1#辊前方的张力架7上，使丝束依次经过第三牵伸辊和第三热箱6的组合进行一级牵伸(丝束依次经过1#辊、1#热箱、2#辊)，最后由第三卷绕辊筒52卷绕成卷。

上述步骤的具体工艺参数参见表1和表2。

将以上所有比较例与实施例最终获的纤维，取10个样品进行强伸度测试，取平均值记录于表3中。

表3干冻胶丝牵伸后性能对比

通过上面的实施例可见，通过控制牵伸形变速率、丝束在热箱中的停留时间，及通过多次牵伸，可减少拉伸过程中大分子间的滑移，使超高分子量聚乙烯纤维的得到更加有效的拉伸，有利于使超高分子量聚乙烯最大程度地形成伸直链结晶结构，从而提高纤维的力学性能。

于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其包括第一次牵伸，所述第一次牵伸包括使超高分子量聚乙烯原丝在第一牵伸辊的牵引下通过依次设置的多级第一热箱进行多级牵伸并通过第一卷绕辊筒进行收卷的步骤，所述第一牵伸辊包括设置在所述多级第一热箱中第一级第一热箱的前方的第一进料辊、设置在相邻二级所述第一热箱之间的第一中间辊、设置在所述多级第一热箱中最后一级第一热箱的后方的第一出料辊，其特征在于：进行所述第一次牵伸时，使所述多级牵伸的牵伸形变速率逐级变小，且控制所述第一次牵伸的总牵伸形变速率为70~130秒^-1，各级的牵伸形变速率为该级第一热箱后方的第一牵伸辊的卷绕速度与其前方的第一牵伸辊的卷绕速度之差与该级第一热箱的长度的比值，所述的总牵伸形变速率为第一出料辊的卷绕速度与第一进料辊的卷绕速度之差与所述多个第一热箱的总长度的比值，此外，控制所述的超高分子量聚乙烯原丝在所述多级第一热箱中的总停留时间为60~130秒，且使所述多级牵伸中每一级的停留时间逐级减少。

2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述第一次牵伸的总牵伸倍数为5~60倍，所述第一次牵伸共有3~5级牵伸。

3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述多级第一热箱中第一级第一热箱的长度为所述多级第一热箱中其余第一热箱的长度的0.6~0.9倍。

4.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述多级第一热箱的温度在100-165℃之间，且后一级第一热箱的温度大于前一级第一热箱的温度；所述的第一牵伸辊中的第一进料辊的温度为60~130℃，第一中间辊的温度为60~130℃，第一出料辊的温度为10~40℃。

5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述的牵伸方法还包括在所述第一次牵伸后进行的更多次牵伸，所述更多次牵伸包括第二次牵伸，所述第二次牵伸包括使第一次牵伸后的丝束在第二牵伸辊的牵引下通过一级第二热箱或依次设置的多级第二热箱进行一级或多级牵伸并通过第二卷绕辊筒进行收卷的步骤，所述第二牵伸辊包括位于所述一级第二热箱前方的第二进料辊、位于所述一级第二热箱或多级第二热箱中最后一级第二热箱后方的第二出料辊和在所述第二热箱有多级时位于相邻二个第二热箱之间的第二中间辊，进行所述第二次牵伸时，控制所述第二次牵伸的总牵伸形变速率为40~80秒^-1，所述第二次牵伸的总牵伸形变速率为第二出料辊的卷绕速度与第二进料辊的卷绕速度之差与所述一级第二热箱的长度或所述多级第二热箱的总长度的比值，当有多级牵伸时，其牵伸形变的速率逐级变小，各级的牵伸形变速率为该级第二热箱后方的第二牵伸辊的卷绕速度与其前方的第二牵伸辊的卷绕速度之差与该级第二热箱的长度的比值；此外，控制丝束在所述一级或多级第二热箱中的总停留时间为40~70秒，当第二次牵伸有多级牵伸时，则使该多级牵伸的每一级牵伸的停留时间逐级减少。

6.根据权利要求5所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述第二次牵伸的牵伸级数为一级、二级或三级。

7.根据权利要求5所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述的第二牵伸辊中第二进料辊的温度为60~130℃，第二出料辊的温度为10~40℃，所述第二热箱的温度在100-165℃之间。

8.根据权利要求5或7所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述第二热箱有多级，第二次牵伸包括多级牵伸，所述多级第二热箱中的第一级第二热箱的长度为其余第二热箱的长度的0.6~0.9倍，所述多级第二热箱中后一级第二热箱的温度大于前一级第二热箱的温度，所述的第二牵伸辊中的第二中间辊的温度为60~130℃。

9.根据权利要求5所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述更多次牵伸还包括第三次牵伸，所述第三次牵伸包括使第二次牵伸后的丝束在第三牵伸辊的牵引下通过一级或依次设置的二级第三热箱进行一级或二级牵伸并通过第三卷绕辊筒收卷的步骤，其中控制所述第三次牵伸的总牵伸形变速率为30~60秒^-1，控制丝束在所述一级或二级第三热箱中的总停留时间为30~60秒，当为二级牵伸时，则控制后一级牵伸的停留时间小于前一级牵伸的停留时间。

10.根据权利要求5所述的超高分子量聚乙烯原丝的牵伸方法，其特征在于：所述更多次牵伸的总牵伸倍数为3~20倍。