CN104846451B - 一种直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，包括：（1）将数均分子量为230‑350万的聚乙烯为原料加入到双螺杆挤出机中熔融挤出初生纤维；（2）将步骤（1）挤出的初生纤维经过冷却水槽冷却；（3）将步骤（2）冷却的纤维通过热水浴箱，进行两次高倍拉伸；（4）将步骤（3）高倍拉伸的纤维再经过两次热风低倍拉伸后，得到成品纤维。本发明直接以超高分子量聚乙烯为原料，不添加任何助剂，制备出纤维强度为12‑30cN/dtex，断裂伸长率为6‑9%的聚乙烯纤维。本发明工艺流程短，操作简单，能耗低，成本低，单机产量高。可广泛应用于各类绳索编织、渔网编结、产业用布、产业用带织造，也可用于国防装备。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料加工技术领域，具体是一种直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维由于没有侧基，对称性及规整性好，单键内旋转位垒低，柔性好，容易形成规则排列的三维有序结构，经过高倍拉伸后，分子链沿拉伸方向有着较高的取向度和结晶度。与碳纤维、芳纶纤维相比较，超高分子量聚乙烯纤维具有以下优点：强度更高；质量更轻，密度只有0.97g/cm3；化学稳定性更好，具有很强的化学惰性，强酸、强碱溶液及有机溶剂对其强度没有任何影响；具有很好的耐候性，经1500h日晒后，纤维强度保持率仍然高达80%，耐紫外性能非常优越；耐低温性好，使用温度可以低至-150℃。超高分子量聚乙烯纤维的耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能、抗切割性能也是现有高性能纤维中最强的。在安全、防护、航空、航天、国防装备、车辆制造、造船业、体育界及民用工业领域，超高分子量聚乙烯纤维作为抗冲击、减震材料及高性能轻质复合材料都具有广阔的应用前景。
目前制备超高分子量聚乙烯纤维的方法包括两大类，一是溶液凝胶纺丝法，二是熔体纺丝法。
专利NL7900990、US430577、EP0064167、ZL85107352、ZL97106768.6、CN1060543C、ZL03106030.7、ZL1995496A、ZL101205637A、CN101575742B、CN101684573B等使用溶液凝胶纺丝法制备超高分子量聚乙烯纤维，溶液凝胶纺丝技术是目前国内外产业化程度高、技术成熟的一种技术，但存在生产流程长、成本高、销售价格高等弊端。
熔体纺丝技术是目前重点研究的制备高强度聚乙烯纤维的方法，并取得了一定的进展。熔体纺丝工艺是将混合物经过熔融挤出成型后进行多级热拉伸以制得高强纤维的方法。由于生产过程中不需要添加十氢萘或石蜡油等溶剂，故工艺环保，设备简单，可以大幅度降低成本，提高纤维的生产效率。但是由于超高分子量聚乙烯熔融时熔体粘度大，导致熔融纺丝非常困难，近年来研究者进行了大量尝试，仍然未能解决，即使偶尔能纺丝成功，制备的纤维强度也低于8.83cN/dtex。目前关于超高分子聚乙烯纤维的熔体纺丝研究中，大多是通过加入助剂改变超分子量聚乙烯的流动性，助剂包括蒙脱土、粉煤灰玻璃微珠、三元乙丙橡胶、低密度聚乙烯等。在将原料改性后，熔融挤出超高分子聚乙烯细丝，然后对细丝进行多倍拉伸就可制备熔纺纤维。专利CN201010533593.X采用熔体纺丝法制备高密度聚乙烯纤维，生产过程为：第一步先制备聚乙烯改性母粒，第二步将超高分子量聚乙烯树脂与聚乙烯改性母粒混合，经熔融纺丝制备高密度聚乙烯纤维。专利CN200810014185.6发明了采用超高分子量聚乙烯与低密度聚乙烯共混熔融制备聚乙烯纤维的方法，该工艺第一步利用双螺杆挤出机制备初生纤维，第二步再将初生纤维拉伸制备聚乙烯纤维。但与溶液凝胶纺丝法制得的纤维强度相比，上述方法制得的纤维强度还有差距。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直接以超高分子量聚乙烯纤维为原料，不添加任何助剂，制备超高分子量聚乙烯纤维的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，包括以下步骤：
（1）将数均分子量为230-350万的聚乙烯为原料加入到双螺杆挤出机中熔融挤出初生纤维；
（2）将步骤（1）挤出的初生纤维经过冷却水槽冷却；
（3）将步骤（2）冷却的纤维通过热水浴箱，进行两次高倍拉伸；
（4）将步骤（3）高倍拉伸的纤维再经过两次热风低倍拉伸后，得到成品纤维。
作为本发明进一步的方案：所述步骤（1）中，双螺杆挤出机的长径比为1：40，螺杆各段温度为150-250℃，螺杆的挤出速度为200-250r/min，喷丝板为120-150孔，直径为0.4-0.9mm，喷丝熔体的温度为160-320℃，喷出速度为2-5m/s。
作为本发明进一步的方案：所述步骤（2）中，冷却水的温度为20-40℃。
作为本发明进一步的方案：所述步骤（3）中，热水浴箱的水浴温度为80-95℃，拉伸倍数为25-40倍。
作为本发明进一步的方案：所述步骤（4）中，热风的温度为120-145℃，拉伸倍数为2-5倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明直接以超高分子量聚乙烯为原料，不添加任何改变超高分子量聚乙烯纤维的熔融流动性的助剂，直接经双螺杆挤出机熔融纺丝制备出初生纤维，水冷降温后，经过四次拉伸制备出高强度、高延伸的聚乙烯纤维，纤维强度为12-30cN/dtex，断裂伸长率为6-9%。
本发明工艺流程短，操作简单，能耗低，成本低，单机产量高。可广泛应用于各类绳索编织、渔网编结、产业用布、产业用带织造，也可用于国防装备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
实施例1
本发明实施例中，一种直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，包括以下步骤：
（1）将数均分子量为230万的聚乙烯作为原料加入到长径比为1:40的双螺杆挤出机中熔融纺丝，制备初生纤维；螺杆各段温度为150-250℃，螺杆挤出速度为200r/min，喷丝板为120孔，直径为0.4mm，喷丝熔体的温度为160℃，喷出速度为2m/s；
（2）将步骤（1）挤出的初生纤维经过冷却水槽冷却；冷却水的温度为40℃；
（3）将步骤（2）冷却的纤维通过热水浴箱，进行两次高倍拉伸；水浴温度控制在80℃，拉伸倍数为25倍；
（4）将步骤（3）高倍拉伸的纤维再经过两次热风低倍拉伸后，得到成品纤维；热风温度控制在120℃，拉伸倍数为2倍。
本发明实施例制备的超高分子量聚乙烯纤维的纤维强度为12cN/dtex，断裂伸长率为6%。
实施例2
本发明实施例中，一种直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，包括以下步骤：
（1）将数均分子量为350万的聚乙烯作为原料加入到长径比为1:40的双螺杆挤出机中熔融纺丝，制备初生纤维；螺杆各段温度为150-250℃，螺杆挤出速度为250r/min，喷丝板为150孔，直径为0.9mm，喷丝熔体的温度为320℃，喷出速度为5m/s；
（2）将步骤（1）挤出的初生纤维经过冷却水槽冷却；冷却水的温度为20℃；
（3）将步骤（2）冷却的纤维通过热水浴箱，进行两次高倍拉伸；水浴温度控制在85℃，拉伸倍数为40倍；
（4）将步骤（3）高倍拉伸的纤维再经过两次热风低倍拉伸后，得到成品纤维；热风温度控制在140℃，拉伸倍数为5倍。
本发明实施例制备的超高分子量聚乙烯纤维的纤维强度为30cN/dtex，断裂伸长率为9%。
实施例3
本发明实施例中，一种直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，包括以下步骤：
（1）将数均分子量为250万的聚乙烯作为原料加入到长径比为1:40的双螺杆挤出机中熔融纺丝，制备初生纤维；螺杆各段温度为150-250℃，螺杆挤出速度为250r/min，喷丝板为150孔，直径为0.6mm，喷丝熔体的温度为220℃，喷出速度为4m/s；
（2）将步骤（1）挤出的初生纤维经过冷却水槽冷却；冷却水的温度为30℃；
（3）将步骤（2）冷却的纤维通过热水浴箱，进行两次高倍拉伸；水浴温度控制在95℃，拉伸倍数为40倍；
（4）将步骤（3）高倍拉伸的纤维再经过两次热风低倍拉伸后，得到成品纤维；热风温度控制在145℃，拉伸倍数为5倍。
本发明实施例制备的超高分子量聚乙烯纤维的纤维强度为24cN/dtex，断裂伸长率为8%。
本发明直接以超高分子量聚乙烯为原料，不添加改变超高分子量聚乙烯纤维的熔融流动性的助剂，直接经双螺杆挤出机熔融纺丝制备出初生纤维，水冷降温后，经过四次拉伸制备出高强度、高延伸的聚乙烯纤维，纤维强度为12-30cN/dtex，断裂伸长率为6-9%。本发明简化了生产流程，可以提高生产效率、降低生产成本、提高聚乙烯纤维强度，适合大规模生产。
对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 (2)
1.一种直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，其特征在于，不添加任何改变超高分子量聚乙烯纤维的熔融流动性的助剂，按以下步骤进行：
(1)将数均分子量为230-350万的聚乙烯为原料加入到双螺杆挤出机中熔融挤出初生纤维；双螺杆挤出机的长径比为1∶40，螺杆各段温度为150-250℃，螺杆的挤出速度为200-250r/min，喷丝板为120-150孔，直径为0.4-0.9mm，喷丝熔体的温度为160-320℃，喷出速度为2-5m/s；
(2)将步骤(1)挤出的初生纤维经过冷却水槽冷却；
(3)将步骤(2)冷却的纤维通过热水浴箱，进行两次高倍拉伸；热水浴箱的水浴温度为80-95℃，拉伸倍数为25-40倍；
(4)将步骤(3)高倍拉伸的纤维再经过两次热风低倍拉伸后，得到成品纤维；热风的温度为120-145℃，拉伸倍数为2-5倍。
2.根据权利要求1所述的直接制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，冷却水的温度为20-40℃。
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