CN108441976B - 一种超高分子量聚乙烯膜裂纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超高分子量聚乙烯膜裂纤维及其制备方法，属于聚乙烯纤维领域，由该方法制备得到的膜裂纤维具有强度高、原纤化程度高等特点。该技术方案包括将聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过一定转速的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在一定转速的冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片；将所述铸片经过预热后进行双向同步拉伸，然后经萃取剂回收后，烘干定型得到聚乙烯微孔隔膜；将所述聚乙烯微孔隔膜分切为0.5‑0.8cm条状隔膜，烘干后，再次进行高温纵向拉伸，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维。本发明制备得到的超高分子量聚乙烯膜裂纤维可作为环保新型材料应用于空气过滤材料、防弹衣等领域。

Description

一种超高分子量聚乙烯膜裂纤维及其制备方法

技术领域

本发明属于聚乙烯纤维领域，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯膜裂纤维及其制备方法。

背景技术

纤维非织造材料的制造工序分为制备纤维、成网、粘合、热定型、后整理及包装等6个过程，生产工艺包括干法、湿法、纺络法、针刺法、缝编法、纺粘法、熔喷法、膜裂法和静电纺丝法等。

膜裂法制备纤维是加工合成纤维的一种新技术，它是利用薄膜经高倍拉伸后，分子取向平衡排列，轴向的强力升高，纬向的强力降至极限，会自行劈裂成纤维的内在特性，将聚合物先熔融挤出多道纵向热拉伸制成薄膜，然后经机械加工或化学方法处理制得的纤维一种方法。该方法制备的纤维既含有大量原纤化程度高的超细纤维，也存在少量一定直径分布的“大尺寸纤维”，可有效增加纤维强度，具有非常广泛的实际应用价值。

由于聚乙烯材料为高结晶性材料，传统膜裂法工艺制备的膜裂纤维存在纤维产品细度的均匀性和稳定性较差，原纤化程度较低，同时原纤化过程易起毛、断裂和缠绕辊等缺陷。因此，需要开发一种力学性能好且原纤化程度高的聚乙烯膜裂纤维以作为环保新型材料。

发明内容

本发明提出一种超高分子量聚乙烯膜裂纤维及其制备方法，由该方法制备得到的膜裂纤维具有强度高、原纤化程度高等特点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种超高分子量聚乙烯膜裂纤维的制备方法，包括以下步骤：

将聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过一定转速的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在一定转速的冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片；

将所述铸片经过预热后进行双向同步拉伸，然后经萃取剂回收后，烘干定型得到聚乙烯微孔隔膜；

将所述聚乙烯微孔隔膜分切为0.5-0.8cm条状隔膜，烘干后，再次进行高温纵向拉伸，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维。

作为优选，所述聚乙烯为线性聚乙烯，粘均分子量为60-120万。

作为优选，熔融温度为140-280℃范围，铸片在预热时的温度为180℃-200℃，条状隔膜在纵向拉伸时的温度为110℃-120℃。

作为优选，所述铸片在双向同步拉伸时，拉伸倍数为横向1-3倍，纵向4-8倍。

作为优选，所述条状隔膜在纵向拉伸时，拉伸倍数为10-12倍。

作为优选，双螺杆的转速为100-150转/min，冷辊的转速为4-7转/min。

作为优选，所述萃取剂可选自二氯甲烷和碳氢清洗剂。

本发明还提供了一种如上述任一技术方案所述的超高分子量聚乙烯膜裂纤维的制备方法制备得到的超高分子量聚乙烯膜裂纤维，所述超高分子量聚乙烯膜裂纤维的拉伸强度达4000Mpa以上。

作为优选，所述超高分子量聚乙烯膜裂纤维的孔隙率为45％-55％，孔径70nm-90nm。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明所提供的制备方法在将超高分子量的聚乙烯熔融并通过模头挤出后，经过一定倍数的横向拉伸和纵向拉伸，由萃取剂萃取烘干后，得到孔隙率为45％左右的薄膜，接着通过将薄膜分切并在高温下进行二次拉伸10-12倍，得到膜裂纤维。由此制备得到的超分子量聚乙烯纤维比的拉伸强度可达到4000Mpa以上，相比普通的超高分子量聚乙烯纤维的拉伸强度具有显著优势，且力学性能好、原纤化程度高，可作为环保新型材料应用于空气过滤材料、防弹衣等领域，用途更加广泛。

具体实施方式

下面将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。

本发明实施例提供了一种超高分子量聚乙烯膜裂纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过一定转速的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在一定转速的冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片。

S2：将所述铸片经过预热后进行双向同步拉伸，然后经萃取剂回收后，烘干定型得到聚乙烯微孔隔膜。

本步骤中，铸片在双向拉伸的作用下，从微观上看，无序的分子及分子链段逐渐排列有序；从宏观上看，薄膜在拉伸过程中不与任何辊筒接触，因此，可以不受辊面的影响，得到无划伤的膜。采用这种方法拉伸时，片材受到夹具的限位作用，使得片材不会产生颈缩，对提高薄膜的均匀性十分有利，从而可得到均匀多孔的薄膜。

S3：将所述聚乙烯微孔隔膜分切为0.5-0.8cm条状隔膜，烘干后，再次进行高温纵向拉伸，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维。

本步骤中，将已经排列有序的分子链段再次重新排列，可形成更加紧密的束状结构，提升纤维的拉伸强度。薄膜从扁平的结构变为极细的纤维状，同时，韧性得到了显著提高。

这里需说明的是，上述技术方案的关键在于采用双向同步拉伸+高温纵向拉伸方法，相比于以往的将预制膜料制成柱状模料，经辊压压制成高分子材料基带，然后将基带进行高温一次牵伸和高温二次牵伸，最后经过开纤机开纤得到膜裂纤维的方法相比，本方法工艺简化、便于操作、能够明显的减少能源消耗，可得到直径更细但是强度更大的膜裂纤维。

在一优选实施例中，为了能够得到预期性能的膜裂纤维，本实施例中选用线性聚乙烯作为原料，并将粘均分子量限定在60-200万。进一步，为了配合各操作步骤得到预期性能的膜裂纤维，本实施例还对聚乙烯的熔融温度、预热拉伸以及纵向拉伸过程中的温度进行了限定，具体的，熔融温度为140-280℃范围，铸片在预热时的温度为180℃-200℃，条状隔膜在纵向拉伸时的温度为110℃-120℃。可以理解的是，熔融温度还可以为150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270℃或上述范围内的任意值，预热温度还可以为185、190、195℃或上述范围内的任意值，纵向拉伸时的温度还可以为112℃、114℃、116℃、118℃或上述范围内的任意值，本领域技术人员可根据具体生产条件进行调整。

在一优选实施例中，所述铸片在双向同步拉伸时，拉伸倍数为横向1-3倍，纵向4-8倍。本实施例中具体限定了铸片在双向同步拉伸时的拉伸倍数，这样能够很好的使无序的分子排列成有序分子链段，球形结晶被拉伸成椭圆形球晶，进而被拉伸成条状结晶体，并在非结晶区产生孔隙。基于这样的拉伸倍数，能够得到具有稳定孔隙率的薄膜，同时能够保证薄膜不会破裂或者拉伸过度卷缩。

在一优选实施例中，所述条状隔膜在纵向拉伸时，拉伸倍数为10-12倍。本实施例中具体限定了铸片在纵向拉伸时的拉伸倍数，这样能够使得到的膜裂纤维的拉伸强度随着拉伸倍数的增大而增大；在10-12倍之间，膜裂纤维的拉伸倍数最大，效果最好；拉伸倍数大于12倍时，膜裂纤维可能会出现太细的现象而拉伸强度减小，或者出现断裂的现象。

在一优选实施例中，双螺杆的转速为100-150转/min，冷辊的转速为4-8转/min。在一优选实施例中，所述萃取剂可选自二氯甲烷和碳氢清洗剂。本实施例进一步对双螺杆、冷辊的转速以及萃取剂的种类进行了限定，本领域技术人员可根据实际生产条件进行调整并可选用合理替换的萃取剂。

本发明实施例还提供了一种由上述方法制备得到的超高分子量聚乙烯膜裂纤维，所述超高分子量聚乙烯膜裂纤维的拉伸强度达4000Mpa以上。在一优选实施例中，所述超高分子量聚乙烯膜裂纤维的孔隙率为45％-55％，孔径为70nm-90nm。本实施例提供的超分子量聚乙烯纤维比的拉伸强度相比普通的超高分子量聚乙烯纤维的拉伸强度具有显著优势，且力学性能好、原纤化程度高，可作为环保新型材料应用于空气过滤材料、防弹衣等领域，用途更加广泛。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的超高分子量聚乙烯膜裂纤维及其制备方法，下面将结合具体实施例进行描述。

实施例1

将分子量为60-200万的聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过100-150转/min的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在4-7转/min的激冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片；

将所述铸片经过180-200℃预热后进行双向同步拉伸，纵向拉伸倍数为1-3倍，横向拉伸倍数为4-8倍，然后经萃取剂回收后，烘干定型得到聚乙烯微孔隔膜；

将所述聚乙烯微孔隔膜分切为0.5-0.8cm条状隔膜，烘干后，再次进行110-120℃高温纵向拉伸，拉伸倍数为10倍，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维1。

实施例2

将分子量为60-200万的聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过100-150转/min的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在4-7转/min的激冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片；

将所述铸片经过180-200℃预热后进行双向同步拉伸，纵向拉伸倍数为1-3倍，横向拉伸倍数为4-8倍，然后经萃取剂回收后，烘干定型得到聚乙烯微孔隔膜；

将所述聚乙烯微孔隔膜分切为0.5-0.8cm条状隔膜，烘干后，再次进行110-120℃高温纵向拉伸，拉伸倍数为11倍，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维2。

实施例3

将分子量为60-120万的聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过100-150转/min的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在4-7转/min的激冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片；

将所述铸片经过180-200℃预热后进行双向同步拉伸，纵向拉伸倍数为1-3倍，横向拉伸倍数为4-8倍，然后经萃取剂回收后，烘干定型得到聚乙烯微孔隔膜；

将所述聚乙烯微孔隔膜分切为0.5-0.8cm条状隔膜，烘干后，再次进行110-120℃高温纵向拉伸，拉伸倍数为12倍，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维3。

对比例1

将分子量为60-200万的聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过100-150转/min的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在4-7转/min的激冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片；

将所述铸片经过180-200℃预热后进行双向同步拉伸，纵向拉伸倍数为1-3倍，横向拉伸倍数为4-8倍，然后经萃取剂回收后，烘干定型得到聚乙烯微孔隔膜；

将所述聚乙烯微孔隔膜分切为0.5-0.8cm条状隔膜，烘干后，再次进行常温纵向拉伸，拉伸倍数为2倍，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维4。

对比例2

将分子量为60-200万的聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过100-150转/min的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在4-7转/min的激冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片；

将所述铸片经过萃取后，烘干定型得到聚乙烯铸片；

将所述聚乙烯铸片分切为0.5-0.8cm条状，再次进行110-120℃高温纵向拉伸，拉伸倍数为12倍，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维5。

性能测试

对上述实施例1-3以及对比例1、2制备得到的微孔膜以及市面常用膜裂纤维的性能从以下几方面进行了测试，测试结果见表1。

表1各微孔膜性能测试结果

从表1中可以看出，实施例1-3经过双拉之后，分子链段有序排列，铸片都变为薄膜(12μm左右)，结晶非结晶区之间出现孔隙，薄膜孔隙率为45-55％之间，而且孔径在80-90nm之间，透气性都为200s/100cc左右。经过不同倍数的高温二次纵向拉伸之后，分子链段再次重新排列，排列更加紧致，薄膜变为纤维状，同时拉伸强度在拉伸11倍时达到最大。在拉伸倍数从10到11倍时，拉伸强度随拉伸倍数增大，但是超过11倍之后，分子链段出现断裂和过度拉伸，拉伸强度随拉伸倍数的增大变小。

对比例1中的薄膜在常温下进行二次拉伸时，微观分子链段和分子不能有效移动，亦不能重新有序排列，拉伸倍数过高，导致薄膜拉断，所以拉伸倍数较低，拉伸强度较低。对比例2中铸片没有被双向拉伸时，直接进行高温纵向拉伸，分子链段虽然重新排列，但是一次拉伸导致许多分子链段及分子分布还是无序排列，也会导致铸片拉伸强度大幅降低。

市面常用的高分子聚乙烯纤维的膜裂强度为2891.5Mpa，对比经过双拉之后，再次高温纵向拉伸的膜裂纤维，膜裂强度明显减小。因此，本发明实施例所提供的将聚乙烯铸片先经过双拉之后，再次经过高温拉伸之后得到膜裂纤维具有显著优势。

Claims (7)

1.一种超高分子量聚乙烯膜裂纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将聚乙烯置于反应釜中进行熔融，通过一定转速的双螺杆及模头挤出聚乙烯熔体，将所述聚乙烯熔体在一定转速的冷辊表面冷却结晶成型，得到铸片；

将所述铸片经过预热后进行双向同步拉伸，然后经萃取剂回收后，烘干定型得到聚乙烯微孔隔膜；

将所述聚乙烯微孔隔膜分切为0.5-0.8cm条状隔膜，烘干后，再次进行高温纵向拉伸，得到超高分子量聚乙烯膜裂纤维；

所述铸片在双向同步拉伸时，拉伸倍数为横向1-3倍，纵向4-8倍；

所述条状隔膜在纵向拉伸时，拉伸倍数为10-12倍。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯为线性聚乙烯，粘均分子量为60-200万。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，熔融温度为140-280℃范围，铸片在预热时的温度为180℃-200℃，条状隔膜在纵向拉伸时的温度为110℃-120℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，双螺杆的转速为100-150转/min，冷辊的转速为4-7转/min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述萃取剂可选自二氯甲烷和碳氢清洗剂。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的超高分子量聚乙烯膜裂纤维的制备方法制备得到的超高分子量聚乙烯膜裂纤维，所述超高分子量聚乙烯膜裂纤维的拉伸强度达4000Mpa以上。

7.根据权利要求6所述的超高分子量聚乙烯膜裂纤维，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯膜裂纤维的孔隙率为45％-55％，孔径70nm-90nm。