CN106544747A - 一种超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，通过有色纺丝原液制备、有色原丝制备和有色纤维制备制得单丝纤度0.33~2.0dtex，束丝纤度22~1776dtex，纤维强度10~40cN/dT，模量1000~1600cN/dT，断裂伸长率2%~4%的有色纤维，纤维单丝纤度细，质地轻薄柔软，所制有色纤维颜色均匀性好，颜色品种丰富，深浅可调，色牢度高，耐磨色牢度达4级以上，耐日光色牢4级以上；耐皂洗色牢度达4级以上，耐气候色牢度达4级以上，生产过程工艺简单，生产连续、稳定，可实现产品十万米无接头，溶剂易挥发，经精馏系统提纯分离后，溶剂不含任何颜料，保证每批丝无色差。回收率≥99.5%，减少排废，低碳环保。

Description

一种超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法
技术领域
本发明涉及合成纤维技术领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是由亚甲基组成的柔链高聚物，分子结构比较简单，经高倍牵伸，聚乙烯大分子链高度取向和结晶，所制纤维呈亮白色，颜色单一。此外，UHMWPE纤维分子链既不含极性基团，也无化学活性基，性能稳定，分子链结构规整，结晶度高，UHMWPE分子既难与染料作用，染料也不易扩散至纤维内部，常规的染色方法对UHMWPE纤维染色效果不佳，这在一定程度上阻碍了UHMWPE纤维的应用和发展。
目前，有色超高分子量聚乙烯纤维的制造方法主要有两种，纤维染色和纺前着色。纤维染色是将UHMWPE纤维通过浸染、胶染或喷涂等工艺染色。专利CN103074786B公开了一种超高分子量聚乙烯纤维的染色加工方法，采用氧化剂预处理纤维表面，然后在匀染剂和具有膨化増塑作用的导染剂存在情况下，添加分散染料或酸性染料进行上染，上染结束后迅速排掉染液，进行冷冻处理，最后用水性聚氨酯固色，脱水，烘干。所制有色纤维皂洗牢度3～4级，日晒牢度3级，纤维强度33～36g/D，纤维模量1200～1280g/D，断裂伸长率3.2％～3.7％。Taekyeong Kim等人在《Synthesis and Application of NovelHigh Light Fastness Red Dyes for Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fibers》(Fibersand Polymers[J]2014.02)中介绍了一种高耐光色牢度红色染料以及其在超高分子量聚乙烯纤维合成中的应用，产品耐光色牢度可达四级。Taekyeong Kim等人还在《Colorationof Ultra High Molecular Weight Polythylene Fibers Using Alkyl-substituted Monoazo Yellowand Red Dyes》(Polymers[J]2013.01)中介绍了一种黄色或红色的烷基取代的但偶氮染料及其在超高分子量聚乙烯纤维中的应用，在130℃染色2-3h后，洗涤色牢度、耐摩擦色牢度均可高于4级。这种染色方法因为需要事先对纤维预处理，破坏纤维结构，对纤维的力学性能产生负面影响，同时，染色仅限于表面，色牢度差，染色不均匀，且丝质较硬，不宜进行二次加工，尤其对细旦丝而言，该方法并不适用，因此只能用于低端领域。
纺前着色是指将颜(染)料或色母粒在纺丝之前与聚合物混合，再共同经纺丝和后处理制成有色纤维的工艺过程。专利CN102875881B公开一种超高分子量聚乙烯纺丝专用色母料的制备方法，将分子量为50～150万的聚乙烯树脂与有机颜料色粉混合制备有色树脂混合料，然后经排气式双螺杆挤出机熔融挤压出多根线条，冷却、切粒、干燥、粉磨制成40～60目的超高分子量聚乙烯纺丝专用色母料。CN102586925B公开了一种超高分子量聚乙烯绳网用有色纤维的制备方法，先用超高分子量聚乙烯树脂加HDPE和有机颜料色粉制备色母料，然后超高分子量聚乙烯用白油溶胀并加入色母料，经湿法纺丝制备绳网用有色纤维。纤维复丝纤度1600D～3200D，单丝纤度5～10D，伸长率4％～4.5％，断裂强度30～33g/D。专利CN101718003B公开了一种超高分子量聚乙烯有色细旦纤维的生产方法，超高分子量聚乙烯粉末在白油中适度解缠形成乳状液A，再将纳米级颜料乳液加入到乳液A中混合，定量喂入螺杆挤出机，最后经湿法纺丝制备有色丝，纤维纤度2D～2.5D。专利CN101230499B公开了一种有颜色的高强聚乙烯纤维及其制造方法，超高分子量聚乙烯、白色矿物油和无机颜料在双螺杆挤出机中溶胀溶解，经湿法纺丝工艺，制备有色纤维。纤维单丝纤度4～15d，强度15～30g/d，模量400～1000g/d，断裂伸长率小于3.5％。CN201410105503.5公开一种超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，采取颜料与低分子量聚乙烯混合后从辅助双螺杆以侧向喂料的方式加入主螺杆制备的UHMWPE溶液，经过过滤器过滤，静态混合器混合后，在流经喷丝板喷丝孔时，由于其黏度较低的缘故，自发性向纤维表面迁移，形成具有颜料含量由纤维表面向中心递减的低度结构的冻胶纤维，冻胶纤维经萃取、干燥、超倍热牵伸得到颜料含量梯度分布的成品纤维。CN201310471883.X介绍了一种超高分子量聚乙烯纤维有机颜料分散锚固原液着色方法，用于制备超高分子量聚乙烯纤维。工艺流程为制备凝胶状溶液→制备色母液→制备溶胀悬浮液→制备冻胶纺丝→制备超高分子量聚乙烯聚乙烯纤维。纺前着色与纤维染色相比，纤维的机械性能和着色均匀性更好，但目前现有技术中的纺前着色工艺，或使用色母料，或预制颜料浆液，或与无机颜料预混后在螺杆挤出机中溶胀，且纺丝工艺均为湿法纺丝，工艺繁琐复杂，颜料分散较差，上色浅，色牢度和均匀性较差。而且所制有色纤维粗硬，单丝纤度做不到2D以下，多适用于普通绳索、网类等低端领域，对于需同时兼顾舒适与性能的功能服装等领域无能为力。同时，由于以上现有技术工艺的局限性，所制纤维颜色品种少，颜色转换期间排废量大，且颜料在高温溶胀条件下，会溶于白油之中，溶剂回收质量低，甚至无法回收，不符合当下节能减排，低碳环保的大趋势。
另外，现有技术中还有一些特殊染色工艺，如超临界CO2染色等，但由于所需条件苛刻，工艺复杂，成本较高，且适用的颜料有限等问题而无法工业化。
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，提供一种超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，工艺简单，溶剂回收率≥99.5％，环保低碳，制成的有色纤维色牢度高、均匀性好，单丝纤度0.33～2.0dtex，束丝纤度22～1776dtex，能够满足服用、防护、绳索、渔业等领域需求的。
技术方案：一种超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，包括以下步骤：
(1)有色纺丝原液制备
按色粉占超高分子量聚乙烯粉末质量的3～10％称取两种原料，根据所需颜色深浅不同，加入比例自由控制，同时加入良溶剂进行混合溶胀，所述超高分子量聚乙烯粉末与良溶剂的质量比为1：20～3：20，然后进行均质，制得纺丝原液；
纺丝原液中，良溶剂的溶胀作用使超高分子量聚乙烯大分子链间空间增大，在较高的温度和较长时间的溶胀作用下，微纳米级的颜料色粉与超高分子量聚乙烯充分接触，且更易进入树脂内部，并均匀分布，提高上色均匀度。
(2)有色原丝制备
纺丝原液经过饱和喂料进入双螺杆挤出机进行混合溶解并挤出，螺杆各区温度为90～180℃，再经喷丝板喷丝，丝束经一段冷却锁色区，随后进入甬道区，丝束经预牵伸过程形成有色原丝，预牵伸温度为100～130℃，预牵伸倍率不大于1.0。
(3)有色纤维制备
有色原丝经一个或多个热拉伸步骤，再经一个或多个松弛步骤，得到有色纤维。热拉伸温度为130～155℃，热拉伸倍率为4～10，松弛温度在拉伸温度的±5℃范围之内，松弛拉伸倍率为1.0或者更小。
优选的，所述良溶剂为萘烷类，优选十氢萘，可通过精馏除去残余颜料进行回收。
进一步，所述颜料色粉为有机颜料或无机颜料，粒径小于1μm，最优小于100nm。
进一步，步骤(1)混合溶胀在带有搅拌装置的溶胀釜中进行，溶胀温度为90～120℃，溶胀时间为1～5h，便于超高分子量聚乙烯粉末和颜料色粉在溶剂中更好的混合。
进一步，步骤(1)均质在带有搅拌装置和回打装置的均质釜中进行，均质温度为20～70℃，均质时间1～3h，通过均质釜的均质作用使料液混合更均匀，更稳定。
进一步，步骤(2)所述冷却锁色区的冷却介质为空气或氮气，优选为氮气，冷却温度为100～120℃，冷却区长度为20～80cm，，气流速度为50～130m3/h。在冷却区，良溶剂迅速挥发进入精馏回收系统，丝束迅速收缩，有色粒子均匀分散在树脂内部，从而提高纤维的着色深度和着色牢度。
进一步，步骤(2)所述甬道区的气流温度为70℃～150℃，甬道区气流速度为40～80m3/h，气体流充分与丝束接触，促使良溶剂进一步挥发。
进一步，步骤(2)在冷却锁色区及甬道区中良溶剂挥发进入精馏系统回收，精馏温度为90～130℃，塔顶压力4～10kPa，塔顶冷凝温度20～45℃，回流比0～0.33；精馏系统可以使溶剂脱色提纯，重新回用，溶剂回收率≥99.5％。
另外，还可以在凝胶纺丝工艺的其他阶段提供含有超高分子量聚乙烯、纺丝溶剂和颜料混合物。如，步骤(1)中，先将超高分子量聚乙烯粉末与色粉混合，制备有色原料粉，再共同加入良溶剂中溶胀；或者，先将色粉与良溶剂混合，制备颜料浆，再加入超高分子量聚乙烯粉末溶胀；或者，采用小螺杆挤出机将超高分子量聚乙烯粉末、良溶剂和色粉混合的颜料母液连续注入大螺杆挤出机入料口中，使纺丝原液与母液在螺杆挤出机中溶解混合。
有益效果：1、所制有色纤维单丝纤度0.33～2.0dtex，束丝纤度22～1776dtex，纤维强度10～40cN/dT，模量1000～1600cN/dT，断裂伸长率2％～4％，纤维单丝纤度细，质地轻薄柔软，可用于服用家纺领域，同时保持了高强高模的特性，真正做到了兼顾舒适与性能；
2、所制有色纤维颜色均匀性好，颜色品种丰富，深浅可调，色牢度高，耐磨色牢度达4级以上，耐日光色牢4级以上；耐皂洗色牢度达4级以上，耐气候色牢度达4级以上，能够满足服用、安全防护装备、绳索、网类、牙线、网球拍线、无纺布、织物带、建筑增强材料、天线罩等一系列用于室内、室外、高摩擦等环境的应用；
3、所述生产过程工艺简单，生产连续、稳定，可实现产品十万米无接头；溶剂易挥发，经精馏系统提纯分离后，溶剂不含任何颜料，保证每批丝无色差。回收率≥99.5％，减少排废，低碳环保；
4、所述纤维可经卷曲切短制成短纤维并用于纺纱。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
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：如图1所示，将粒径为80nm的炭黑颜料、超高分子量聚乙烯粉末、十氢萘溶剂按0.5:13:87的质量比加入带有搅拌装置的溶胀釜溶胀3h，溶胀温度94.2℃，然后进入带有搅拌装置和回打装置的均质釜均质1h，均质温度40.7℃，再经饱和喂料方式进入螺杆挤出机进一步挤压剪切、充分溶解，螺杆1～14区温度为98℃，125℃，138℃，154℃，155℃，168℃，180℃，168℃，150℃，144℃，138℃，138℃，129℃，125℃，纺丝溶液经1600D/1380f喷丝板喷丝后，进入流动介质为氮气的冷却区，冷却区温度为115℃，冷却区长度50cm，气流速度为100m3/h。随后进入甬道区，甬道区的氮气流温度90℃，气流速度60m3/h。在冷却区及甬道区中，良溶剂挥发进入精馏塔回收，精馏温度120℃，塔顶压力7.0kPa，塔顶冷凝温度40℃，回流比为0。丝束进入预牵伸区，预牵伸温度125℃，牵伸倍率3.14。再经三级热拉伸，热拉伸热箱温度为147℃、148℃、147℃，热拉伸总倍率为6.41；再经一级松弛拉伸，松弛温度146℃，松弛倍率1.0，制得1600D黑色超高分子量聚乙烯纤维，溶剂回收率为99.8％。
实施例2：将粒径为100nm的黄色颜料、超高分子量聚乙烯粉末、十氢萘溶剂按1.3:13:87的质量比加入溶胀釜溶胀3h，溶胀温度98.5℃，然后进入均质釜均质1h，均质温度60℃，再经饱和喂料方式进入螺杆挤出机，进一步挤压剪切，充分溶解，螺杆1～14区温度为98℃，128℃，135℃，150℃，152℃，165℃，178℃，168℃，150℃，144℃，138℃，138℃，129℃，125℃，纺丝溶液经400D/230f喷丝板喷丝后，进入冷却区，冷却区温度为110℃，冷却长度45cm，气流速度为90m3/h，甬道氮气流温度80℃，气流速度60m3/h。精馏温度115℃，塔顶压力6.7kPa，塔顶冷凝温度35℃，回流比为0.13。丝束进入预牵伸区，预牵伸温度118℃，牵伸倍率3.14，再经三级热拉伸，热拉伸热箱温度为149℃、150℃、148℃，热拉伸总倍率为4.95；再经一级松弛拉伸，松弛温度140℃，松弛倍率1.0，得400D黄色超高分子量聚乙烯纤维，溶剂回收率为99.8％。
实施例3：将粒径为90nm的红色颜料、超高分子量聚乙烯粉末、十氢萘溶剂按1:13:87的质量比加入溶胀釜溶胀3h，溶胀温度98.5℃，然后进入均质釜均质1h，均质温度60℃，再经饱和喂料方式进入螺杆挤出机，进一步挤压剪切，充分溶解，螺杆1～14区温度为98℃，130℃，133℃，148℃，152℃，163℃，175℃，168℃，150℃，145℃，135℃，135℃，129℃，125℃，纺丝溶液经40D/30f喷丝板喷丝后，进入冷却区，冷却区温度为105℃，冷却长度30mm，气流速度为85m3/h，甬道氮气流温度75℃，气流速度60m3/h，精馏温度123℃，塔顶压力7.2kPa，塔顶冷凝温度30℃，回流比为0.27。丝束进入预牵伸区，预牵伸温度124℃，牵伸倍率3.15，再经三级热拉伸，热拉伸热箱温度为148℃、149℃、148℃，热拉伸总倍率为5.15；再经一级松弛拉伸，松弛温度140℃，松弛倍率1.0，得40D红色超高分子量聚乙烯纤维，溶剂回收率为99.9％。
实施例4：与实施例1大致相同，所不同的是：炭黑颜料、超高分子量聚乙烯粉末与十氢萘溶剂按0.39:13:260的质量比混合，溶胀温度90℃，溶胀5h，然后进入均质釜均质3h，均质温度20℃，再经饱和喂料方式进入螺杆挤出机，进一步挤压剪切，充分溶解，螺杆1～14区温度为90℃，98℃，128℃，150℃，152℃，165℃，178℃，168℃，150℃，144℃，138℃，180℃，129℃，125℃，纺丝溶液经喷丝板喷丝后，进入冷却区，冷却区温度为100℃，冷却长度20cm，气流速度为50m3/h，甬道氮气流温度70℃，气流速度40m3/h。精馏温度90℃，塔顶压力4kPa，塔顶冷凝温度45℃，回流比为0.33。丝束进入预牵伸区，预牵伸温度100℃，牵伸倍率3.00，再经三级热拉伸，热拉伸热箱温度为130℃、131℃、130℃，热拉伸总倍率为4.00；再经一级松弛拉伸，松弛温度135℃，松弛倍率0.9，得黑色超高分子量聚乙烯纤维，溶剂回收率为99.7％。
实施例5：与实施例2大致相同，所不同的是：黄色颜料、超高分子量聚乙烯粉末、十氢萘溶剂按0.65:13:130的质量比混合，溶胀温度120℃，溶胀1h，然后进入均质釜均质2h，均质温度70℃，再经饱和喂料方式进入螺杆挤出机，进一步挤压剪切，充分溶解，螺杆1～14区温度为90℃，98℃，128℃，150℃，152℃，165℃，178℃，168℃，150℃，144℃，138℃，158℃，129℃，125℃，纺丝溶液经喷丝板喷丝后，进入冷却区，冷却区温度为120℃，冷却长度80cm，气流速度为130m3/h，甬道氮气流温度150℃，气流速度80m3/h。精馏温度130℃，塔顶压力10kPa，塔顶冷凝温度20℃，回流比为0.19。丝束进入预牵伸区，预牵伸温度130℃，牵伸倍率5.00，再经三级热拉伸，热拉伸热箱温度为154℃、155℃、154℃，热拉伸总倍率为10.00；再经一级松弛拉伸，松弛温度150℃，松弛倍率0.8，得黄色超高分子量聚乙烯纤维，溶剂回收率为99.7％。
实施例1～3产品性能测试指标列于表1中：
表1实施例1～3性能测试指标
项目 实施例1 实施例2 实施例3
线密度(dtex) 1724 450 22.2
强度(cN/dtex) 31.9 30.1 28.3
模量(cN/dtex) 1249.3 1172.5 1104.9
耐摩擦色牢度 4级 4级 4级
耐日光色牢度 4级 4级 4级
耐皂洗色牢度 4级 4级 4级
耐气候色牢度 4级 4级 4级
注：1、线密度按GB/T 14343测定；2、强度、模量按GB/T 19975测定；3、耐摩擦色牢度按GB/T 3920-2008测定；耐日光色牢度按GB/T 8426-1998测定；耐皂洗色牢度按GB/T 3921-2008测定；耐气候色牢度GB/T 8429-1998测定。

Claims (9)

1.一种超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）有色纺丝原液制备
按色粉占超高分子量聚乙烯粉末质量的3~10%称取两种原料，同时加入良溶剂进行混合溶胀，所述超高分子量聚乙烯粉末与良溶剂的质量比为1：20~3：20，然后进行均质，制得纺丝原液；
（2）有色原丝制备
纺丝原液经过饱和喂料进入双螺杆挤出机进行混合溶解并挤出，螺杆各区温度为90～180℃，再经喷丝板喷丝，丝束经一段冷却锁色区，随后进入甬道区，丝束经预牵伸过程形成有色原丝，预牵伸温度为100~130℃，预牵伸倍率为3~5；
（3）有色纤维制备
有色原丝经一个或多个热拉伸步骤，再经一个或多个松弛步骤，得到有色纤维；热拉伸温度为130~155℃，热拉伸倍率为4~10，松弛温度在拉伸温度的±5℃范围之内，松弛拉伸倍率不大于1.0。
2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：所述良溶剂为萘烷类，优选十氢萘。
3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：所述颜料色粉为有机颜料或无机颜料，粒径小于1μm，最优小于100nm。
4.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：步骤（1）混合溶胀在带有搅拌装置的溶胀釜中进行，溶胀温度为90~120℃，溶胀时间为1~5h。
5.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：步骤（1）均质在带有搅拌装置和回打装置的均质釜中进行，均质温度为20~70℃，均质时间1~3h。
6.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：步骤（2）所述冷却锁色区的冷却介质为空气或氮气，优选为氮气，冷却温度为100~120℃，冷却区长度为20~80cm，气流速度为50~130m3/h。
7.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：步骤（2）所述甬道区的气流温度为70℃~150℃，甬道区气流速度为40~80m3/h。
8.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：步骤（2）在冷却锁色区及甬道区中良溶剂挥发进入精馏系统回收，精馏温度为90~130℃，精馏塔塔顶压力4~10kPa，塔顶冷凝温度20~45℃，回流比0~0.33。
9.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯有色纤维制造方法，其特征在于：步骤（1）中，先将超高分子量聚乙烯粉末与色粉混合，制备有色原料粉，再共同加入良溶剂中溶胀；或者，先将色粉与良溶剂混合，制备颜料浆，再加入超高分子量聚乙烯粉末溶胀；或者，采用小螺杆挤出机将超高分子量聚乙烯粉末、良溶剂和色粉混合的颜料母液连续注入大螺杆挤出机入料口中，使纺丝原液与母液在螺杆挤出机中溶解混合。
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