CN106567152A - 一种有色超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法 - Google Patents

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马敏
刘建
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Abstract

本发明公开了一种有色超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，属于高分子材料技术领域。将超高分子量聚乙烯、复配颜料和抗氧剂，按照质量比为100:6～10:0.6～3加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为7%～10%的悬浮液，经过溶胀、溶解、喷头拉伸、预牵伸和多倍牵伸制得单丝纤度低于1.5dtex，束丝断裂强度不低于38cN·dtex-1，模量不低于1500cN·dtex-1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4的有色超高分子量聚乙烯纤维。本发明方法不仅生产工艺简单、 可重复性强、而且所加工的产品细旦高强，色牢度高、颜色丰富，满足了市场对多色系高性能聚乙烯纤维的需求，可泛应用于海洋工程及渔用领域。

Description

一种有色超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域， 特别涉及一种有色超高分子量聚乙烯（UHMWPE） 纤维及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维（Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，简称 UHMWPE）具有高度取向的伸直链结构，化学稳定性好，在耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能和抗切割性能上是现有高性能纤维中最强的。在军事工业和航天航空领域均有不可替代的作用。此外，UHMWPE纤维在民用领域也得到了广泛的应用，随着 UHMWPE 纤维在海洋工程及渔用领域的应用拓展，对有色 UHMWPE 纤维的需求越来越多。纺前着色技术由于生产过程中 “三废”少、成本低、产品着色均匀等越来越受青睐，但是纺前着色的研究与开发应用主要集中在单一颜料添加方面，对复配色系研究甚少，导致纤维颜色单一，不能满足市场对多色系纤维的需要。
CN103590128A的专利介绍了一种有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。该方法主要是将染料或颜料粉末与溶剂混合搅拌， 并辅助超声震荡， 得到均匀的染色浴液，然后进行纺丝。本发明的工艺流程简单， 生产成本低， 易于实现工业化生产， 染料或颜料粒子的选择广泛，但该方法只是针对单一的颜料进行纺丝，只提到黑色、红色、蓝色等单一颜色纤维的制备，未提起颜色的复配和色系的开发，也未对牵伸倍率对复配色系的影响进行研究。
CN 101886295A的专利介绍了一种超高分子量聚乙烯有色纤维及制备方法。该方法将超高分子量聚乙烯粉末和溶剂按比例注入解缠釜内，在溶剂中高剪切使超高分子量聚乙烯大分子之间适度解缠， 形成均一乳液状混和液， 然后利用混合技术将含有纳米级的无毒、 无害颜料颗粒制成的乳液均匀连续地添加到乳液状混和液中， 进一步剪切， 最后乳液状混和液通过储料罐边搅拌边定量喂入螺杆挤出机挤出纺丝。该发明主要是制备一种具有常规高强高模聚乙烯纤维的优异品质，实现了原材料环保、生产过程环保，产品环保，而未对有色纤维的颜色复配及色系开发进行研究。
CN 102587060A的专利介绍了一种超高分子量聚乙烯有色纤维的生产方法。该方法首先将干燥后的超高分子量聚乙烯纤维放入高压染色舱内并封闭好， 然后将二氧化碳储罐中的二氧化碳气体加热加压到非气体也非液体的超临界状态， 然后由泵将超临界状态下的二氧化碳打入染料槽内， 使二氧化碳超临界流体溶解染料， 然后送至高压染色舱内与超高分子量聚乙烯纤维进行接触， 给超高分子量聚乙烯纤维进行染色， 染色后的超高分子量聚乙烯纤维再进行超倍热牵伸、收卷、入库， 所述二氧化碳和剩余的染料进入分离器分离，分别收集回用。本发明的目的是解决纤维着色的技术问题，纤维品种切换困难的技术问题，而未提及有色纤维色系的开发。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中超高分子量聚乙烯有色纤维，颜色单一，纤维品质不高，不能满足市场需求的问题。本发明主要研究复配色系超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，通过调整复配颜料比例、主要工艺温度、喷头拉伸倍数、预牵伸倍数和多倍牵伸各级倍数生产出所需的细旦高强的复配色系纤维。
本发明的有色超高分子量聚乙烯纤维：单丝纤度低于 1.5dtex，束丝断裂强度不低于38cN·dtex-1，模量不低于 1500cN·dtex-1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。
本发明超高分子量聚乙烯有色纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将超高分子量聚乙烯、复配颜料和抗氧剂，按照质量比为 100:6～10:0.6～3 加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为 7~10% 的悬浮液，悬浮液定量挤入双螺杆挤出机内进行溶胀、溶解，形成均匀的超高分子量聚乙烯溶液；
（2）将步骤（1）中的超高分子量聚乙烯溶液经喷丝板喷出，喷头牵伸的倍数为 6～15倍， 制得初生纤维；
（3）将初生纤维进行预牵伸，预牵伸温度为：90～130℃，牵伸倍数为 6～12倍 ；
（4）将预牵伸后的纤维在20～25℃ 下静置，平衡24小时以消除内应力；
（5）经过预牵伸、平衡后的纤维通过多倍牵伸，热定型除去纤维中的十氢萘，纤维取向结晶形成高强高模纤维。牵伸工艺为： 一级牵伸温度 100～115℃， 牵伸倍数4～8倍 ；二级牵伸温度105～130℃，牵伸倍数 3～6；三级牵伸温度 130～160℃，牵伸倍数1.1～2。
通过以上步骤可以完成有色超高分子量聚乙烯的生产。同色系不同色号纤维的生产，需要通过调节复配颜料配比和纺丝过程中的各级牵伸比来调节，需要做大量的试验才能完成。
本发明有色超高分子量聚乙烯纤维，复配色系优选为咖啡色系和橘色系。
咖啡色系的配色主要颜料为黑色、红色、黄色和白色，配比为：0.1～0.6:4～5:0.01～0.5。
橘色系的配色主要颜料为黄色和红色，配比为：3.5～4:6～6.5。
所述咖啡色系的纤维生产过程的喷头牵伸倍数优选为：6～12倍；预牵伸温度优选90～115℃，牵伸倍数优选7～10倍；多倍牵伸工艺为：一级牵伸温度 100～115℃， 牵伸倍数优选为6.5～8倍 ；二级牵伸温度优选110～130℃，牵伸倍数 4～6倍；三级牵伸温度优选130～145℃，牵伸倍数优选为1.2～1.6倍。
所述橘色系的纤维生产过程的喷头牵伸倍数优选为8倍；预牵伸温度优选125～130℃，牵伸倍数优选12～15倍；多倍牵伸工艺为：一级牵伸温度 110～115℃， 牵伸倍数优选为5～5.5倍 ；二级牵伸温度优选125～130℃，牵伸倍数 4～4.5倍；三级牵伸温度优选150～155℃，牵伸倍数优选为1.1～2倍。
本发明染色方法最终制得的成品有色超高分子量聚乙烯纤维单丝纤度低于 1.5dtex，束丝断裂强度不低于38cN·dtex-1，模量不低于 1500cN·dtex-1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。
本发明所提供的有色超高分子量聚乙烯纤维的方法不仅生产工艺简单、 可重复性强、 而且所加工的产品细旦高强，色牢度高、 颜色丰富，满足了市场对多色系高性能聚乙烯纤维的需求。
具体实施方式
以下用实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例以复配色系的咖啡色系和橘色系为例详细的说明本发明的技术方案。
咖啡色系超高分子量聚乙烯纤维的制备主要是通过黑色、黄色、红色、白色四种颜料进行复配，对牵伸比进行合理分配，生产出棕色、褐色、烟色和驼色有色纤维，以下实施例1～实施例4为咖啡色系的超高分子量聚乙烯纤维的制备。
橘色系超高分子量聚乙烯纤维的制备主要是通过黄色、红色颜料进行复配，对牵伸比进行合理分配，生产出橘红色和橘黄色有色纤维，以下实施例5、实施例6为橘色系的超高分子量聚乙烯纤维的制备。
实施例不限于本发明的保护范围， 本发明的保护范围由权利要求来决定。
实施例 1
棕色超高分子量聚乙烯的制备
超高分子量聚乙烯、抗氧剂、复配颜料按照质量比为 100:6.11 :2.5 加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为 7% 的悬浮液，其中复配颜料中黑色、黄色、红色、白色的配比为：0.6:4:1.5:0.01。将悬浮液定量挤入双螺杆挤出机内进行溶胀、溶解，形成均匀的聚乙烯溶液，经过喷头牵伸制得初生纤维，喷头牵伸的倍数为6倍，将初生纤维进行预牵伸，预牵伸温度为：90℃，牵伸倍数为10倍 ；将预牵伸后的纤维在20℃下静置平衡24小时以消除内应力；经过预牵伸、平衡后的纤维通过多倍牵伸，热定型除去纤维中的十氢萘，纤维取向结晶形成高强高模纤维，多倍牵伸的牵伸工艺为： 一级牵伸温度 100℃， 牵伸倍数为7倍 ； 二级牵伸温度110℃， 牵伸倍数4； 三级牵伸温度 130℃， 牵伸倍数1.2 。
上述方法所生产纤维单丝纤度为 1.5dtex，束丝断裂强度为38cN·dtex-1，模量为 1500cN·dtex-1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。
实施例 2
褐色超高分子量聚乙烯的制备
超高分子量聚乙烯、复配颜料和抗氧剂按照质量比为 100:6.43:0.6加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为 7% 的悬浮液，其中复配颜料中黑色、黄色、红色、白色的配比为：0.4:5:1:0.03，将悬浮液定量挤入双螺杆挤出机内进行溶胀、溶解，形成均匀的聚乙烯溶液，经过喷头牵伸制得初生纤维，喷头牵伸的倍数为10倍，将初生纤维进行预牵伸，预牵伸温度为：100℃，牵伸倍数为 7倍 ；将预牵伸后的纤维在25℃下静置平衡24小时以消除内应力；经过预牵伸、平衡后的纤维通过多倍牵伸，热定型除去纤维中的十氢萘，纤维取向结晶形成高强高模纤维牵伸工艺为： 一级牵伸温度 110℃， 牵伸倍数8倍 ； 二级牵伸温度120℃， 牵伸倍数6 ；三级牵伸温度135℃，牵伸倍数1.5。
上述方法所生产纤维单丝纤度为 1.3dtex，束丝断裂强度为38.4 cN·dtex-1，模量为 1535cN·dtex-1，级耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。
实施例 3
烟色超高分子量聚乙烯的制备
聚乙烯、抗氧剂、复配颜料按照质量比为 100:6.5:0.6加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为 7% 的悬浮液，其中复配颜料中黑色、黄色、红色、白色的配比为：0.2:5:1:0.3，将悬浮液定量挤入双螺杆挤出机内进行溶胀、溶解，形成均匀的聚乙烯溶液，经过喷头牵伸制得初生纤维，喷头牵伸的倍数为12倍，将初生纤维进行预牵伸，预牵伸温度为：115℃，牵伸倍数为 8倍 ；将预牵伸后的纤维在25℃下静置平衡24小时以消除内应力；经过预牵伸、平衡后的纤维通过多倍牵伸，热定型除去纤维中的十氢萘，纤维取向结晶形成高强高模纤维牵伸工艺为： 一级牵伸温度 115℃， 牵伸倍数7倍 ； 二级牵伸温度125℃， 牵伸倍数6； 三级牵伸温度 145℃， 牵伸倍数2。
上述方法所生产纤维单丝纤度为 1.1 dtex，束丝断裂强度为40.2 cN·dtex-1，模量为 1612cN·dtex-1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。
实施例 4
驼色超高分子量聚乙烯的制备
超高分子量聚乙烯、抗氧剂、复配颜料按照质量比为 100:6.4:0.6加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为 7% 的悬浮液，其中复配颜料中黑色、黄色、红色、白色的配比为：0.1:5:0.8:0.5，将悬浮液定量挤入双螺杆挤出机内进行溶胀、溶解，形成均匀的聚乙烯溶液，经过喷头牵伸制得初生纤维，喷头牵伸的倍数为12倍，将初生纤维进行预牵伸，预牵伸温度为：120℃，牵伸倍数为 8倍 ；将预牵伸后的纤维在25℃下静置平衡24小时以消除内应力；经过预牵伸、平衡后的纤维通过多倍牵伸，热定型除去纤维中的十氢萘，纤维取向结晶形成高强高模纤维牵伸工艺为： 一级牵伸温度 115℃， 牵伸倍数6.5倍 ； 二级牵伸温度130℃， 牵伸倍数5.2； 三级牵伸温度 145℃， 牵伸倍数1.6 。
上述方法所生产纤维单丝纤度为 0.8 dtex，束丝断裂强度为42 cN·dtex-1，模量为 1642 cN·dtex-1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。
实施例 5
橘红色超高分子量聚乙烯的制备
聚乙烯、复配颜料、抗氧剂按照质量比为 100:10:0.6加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为 10% 的悬浮液，其中复配颜料中黄色、红色的配比为： 4 ：6，将悬浮液定量挤入双螺杆挤出机内进行溶胀、溶解，形成均匀的聚乙烯溶液，经过喷头牵伸制得初生纤维，喷头牵伸的倍数为8倍，将初生纤维进行预牵伸，预牵伸温度为125℃，牵伸倍数为 12倍 ；将预牵伸后的纤维在25℃下静置平衡24小时以消除内应力；经过预牵伸、平衡后的纤维通过多倍牵伸，热定型除去纤维中的十氢萘，纤维取向结晶形成高强高模纤维，牵伸工艺为： 一级牵伸温度 110℃， 牵伸倍数5.5倍 ； 二级牵伸温度125℃， 牵伸倍数4.5； 三级牵伸温度 150℃， 牵伸倍数2 倍。
上述方法所生产纤维单丝纤度为 0.8 dtex，束丝断裂强度为39.4 cN·dtex-1，模量为 1642 cN·dtex-1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。
实施例 6
橘黄色超高分子量聚乙烯的制备
聚乙烯、润滑剂和抗氧剂、复配颜料按照质量比为 100:10:0.6加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为 10% 的悬浮液，其中复配颜料中黄色、红色的配比为：3.5：6.5，将悬浮液定量挤入双螺杆挤出机内进行溶胀、溶解，形成均匀的聚乙烯溶液，经过喷头牵伸制得初生纤维，喷头牵伸的倍数为8倍，将初生纤维进行预牵伸，预牵伸温度为：130℃，牵伸倍数为 15倍 ；将预牵伸后的纤维在25℃下静置平衡24小时以消除内应力；经过预牵伸、平衡后的纤维通过多倍牵伸，热定型除去纤维中的十氢萘，牵伸工艺为： 一级牵伸温度 115℃， 牵伸倍数5倍 ； 二级牵伸温度130℃， 牵伸倍数4倍； 三级牵伸温度 155℃， 牵伸倍数1.1倍。
上述方法所生产纤维单丝纤度为 0.8 dtex，束丝断裂强度为40.1 cN·dtex-1，模量为 1658cN·dtex -1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。

Claims (7)

1.一种有色超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：单丝纤度低于 1.5dtex，束丝断裂强度不低于38cN·dtex-1，模量不低于 1500cN·dtex-1，耐水洗色牢度为4，耐摩擦色牢度为3-4。
2.根据权利要求1所述的有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于包含如下步骤：
（1）将超高分子量聚乙烯、复配颜料和抗氧剂，按照质量比为 100:6～10:0.6～3 加入到十氢萘溶液中制成超高分子量聚乙烯质量浓度为 7~10% 的悬浮液，悬浮液定量挤入双螺杆挤出机内进行溶胀、溶解，形成均匀的超高分子量聚乙烯溶液；
（2）将步骤（1）中的超高分子量聚乙烯溶液经喷丝板喷出，喷头牵伸的倍数为 6～15倍， 制得初生纤维；
（3）将初生纤维进行预牵伸，预牵伸温度为：90～130℃，牵伸倍数为 6～12倍 ；
（4）将预牵伸后的纤维在20～25℃ 下静置，平衡24小时；
（5）经过预牵伸、平衡后的纤维通过多倍牵伸，牵伸工艺为： 一级牵伸温度 100～115℃，牵伸倍数4～8倍 ；二级牵伸温度105～130℃，牵伸倍数 3～6；三级牵伸温度 130～160℃，牵伸倍数1.1～2。
3.根据权利要求2所述的有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于复配色系为咖啡色系和橘色系。
4.根据权利要求2或3所述的有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于咖啡色系的配色颜料为黑色、红色、黄色和白色，配比为：0.1～0.6:4～5:0.01～0.5。
5.根据权利要求2或3所述的有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于橘色系的配色颜料为黄色和红色，配比为：3.5～4:6～6.5。
6.根据权利要求2或3所述的有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于咖啡色系的纤维生产过程的喷头牵伸倍数为：6～12倍；预牵伸温度90～115℃，牵伸倍数7～10倍；多倍牵伸工艺为：一级牵伸温度 100～115℃， 牵伸倍数为6.5～8倍 ；二级牵伸温度110～130℃，牵伸倍数 4～6倍；三级牵伸温度130～145℃，牵伸倍数为1.2～1.6倍。
7.根据权利要求2或3所述的有色超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于橘色系的纤维生产过程的喷头牵伸倍数为8倍；预牵伸温度125～130℃，牵伸倍数12～15倍；多倍牵伸工艺为：一级牵伸温度 110～115℃， 牵伸倍数为5～5.5倍 ；二级牵伸温度125～130℃，牵伸倍数 4～4.5倍；三级牵伸温度150～155℃，牵伸倍数为1.1～2倍。
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