CN112609250A - 一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法 - Google Patents

一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，包括如下步骤：(1)超高分子量聚乙烯粉末与白油混合，制备纺丝原液预溶胀料，并保持搅拌状态及升温；(2)将预溶胀料进入双螺杆挤出机，然后进入纺丝组件经喷丝板成丝，冷却水槽冷却，得到超高分子量凝胶原丝；静置平衡；成丝后原丝落桶时为单丝交叉层叠圆环式的排列方式；(3)对平衡处理后的凝胶原丝进行萃取、干燥、热牵伸；最后卷绕得到超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝。本发明所公开的制备方法在强度不降低的情况下实现单丝纤度提升10倍，达到20～40旦，其直径0.038～0.070毫米，以粗旦单丝替代原有多根细旦单丝组合成丝方式，有效消除了细旦单丝之间缝隙，并保持优良强度和模量。

Description

一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法
技术领域
本发明涉及功能纤维的制备方法，特别涉及一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维(英文全称：Ultra High Molecular WeightPolyethylene Fiber，简称UHMWPE)，又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维。
在通常超高分子量聚乙烯纤维生产过程中，单丝纤度一般为2～4旦，其直径0.017～0.024毫米；再由多根单丝组成一根粗的纤维原丝。单丝之间存在缝隙，在不允许单丝缝隙使用条件下，消除缝隙需要额外添加树脂填充，限制其在对应领域的应用，如在精细化工、水处理、滤材、网材等方面使用存在表面附着物多、清理困难、影响使用寿命。
现有的凝胶法生产超高分子量聚乙烯纤维制约其单丝直径的主要瓶颈为,单丝超过3.3旦之后,在后续相分离过程,即萃取过程,原丝内白油不易析出,导致成品丝含油率大于1％,此为影响产品强度的主要原因,同时单丝直径变粗后,后续牵伸过程中,易出现单丝因受热不均匀,导致毛丝断丝的产生。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，以达到在强度保持的情况下提升单丝纤度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，包括如下步骤：
(1)超高分子量聚乙烯粉末与白油混合，制备纺丝原液预溶胀料，并保持搅拌状态及升温；
(2)将预溶胀料进入双螺杆挤出机，然后进入纺丝组件经喷丝板成丝，冷却水槽冷却，得到超高分子量凝胶原丝；静置平衡；成丝后原丝落桶时为单丝交叉层叠圆环式的排列方式；
(3)对平衡处理后的凝胶原丝进行萃取、干燥、热牵伸；最后卷绕得到超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝；预牵伸倍数为6.5-8倍，预牵伸温度为80-120℃。
上述方案中，步骤(1)中纺丝原液预溶胀料中超高分子量聚乙烯含量为7.5％～15％wt。
上述方案中，所述超高分子量聚乙烯粉末的分子量300～600万。
上述方案中，步骤(2)中，双螺杆挤出机的转速150～200rpm。
上述方案中，步骤(2)中，喷丝板孔径为1.5～2mm。
上述方案中，步骤(2)中，喷丝板温度为200～300℃。
上述方案中，步骤(2)中，冷却水槽温度为0～40℃。
上述方案中，步骤(3)中，热牵伸温度为130～155℃。
上述方案中，步骤(3)中，热牵伸倍数为30～60倍。
通过上述技术方案，本发明提供的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法具有如下有益效果：
(1)本发明通过改变原丝落桶时的排列方式，将原来的“层压方块式”修改为“单丝交叉层叠圆环式”，提高层层之间间隙,加快白油析出，降低成品丝含油率，成品丝含油率控制在(0.3％-1％)以内，从而提高产品强度。
(2)本发明制备的超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝纤度提升10倍，达到20～40旦，其直径0.038～0.070毫米，断裂牵伸强度达到2.5～3.4Gpa，模量达到77～97GPa。
(3)本发明以粗旦单丝替代原有多根细旦单丝组合成丝方式，不需要额外工艺及材料即可实现全超高分子量聚乙烯粗旦单丝。在高强度、高模量性能保持前提下，有效的消除细旦单丝之间缝隙，有效扩宽超高分子量聚乙烯纤维在工业、农业、渔业、军事、及特殊应用领域范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法工艺流程图。
图中，1、溶胀设备；2、双螺杆挤出机；3、纺丝组件；4、冷却水槽；5、盛丝桶；6、萃取设备；7、干燥设备；8、热牵伸设备一；9、热牵伸设备二；10、热牵伸设备三；11、卷绕设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
本实例以40D白色超高分子量粗旦纤维单丝制备为例：
具体过程与步骤如下：
一、白油作为溶剂，UHMWPE粉与白油混合，UHMWPE粉用量100Kg，白油用量900Kg；如图1所示，在溶胀设备1中的搅拌器持续搅拌过程中，逐步升温至130℃，溶胀时间60min。
二、溶胀完毕后，溶胀混合液进入双螺杆挤出机2，经过纺丝组件3；通过喷丝板进入冷却水槽4，形成凝胶原丝，落入盛丝桶5(凝胶丝平衡前)。
双螺杆挤出机2转速150rpm；双螺杆挤出机2温度范围为120℃～340℃，由进料口至出料端逐步升温。喷丝板温度为200℃；冷却水槽4温度为10℃。
三、静置平衡后，将盛丝桶5内凝胶丝平衡后的凝胶原丝先后在萃取设备6中萃取，在干燥设备7中干燥；然后在热牵伸设备一8、热牵伸设备二9、热牵伸设备三10中进行超倍牵伸；牵伸温度为140℃，牵伸倍数为60倍。最后在卷绕设备11收卷成筒，以供后续使用。
实施例2：
本实例以40D有色超高分子量粗旦纤维单丝制备为例：
具体过程与步骤如下：
一、白油作为溶剂，UHMWPE粉与白油混合，UHMWPE粉用量100Kg，白油用量900Kg；UHMWPE粉使用比例10％wt，在溶胀设备1中搅拌器持续搅拌过程中，逐步升温至100℃，溶胀时间100min。
二、将配比好的颜料，在溶胀混合液配制时一同放入溶胀设备1中进行搅拌。
颜料颜色、重量根据实际需求配制。
三、溶胀完毕后，溶胀混合液进入双螺杆挤出机2，经过纺丝组件3；通过喷丝板进入冷却水槽4，形成凝胶原丝，落入盛丝桶5(凝胶丝平衡前)。
双螺杆挤出机2转速200rpm；双螺杆挤出机2温度范围为120℃～340℃，由进料口至出料端逐步升温。喷丝板温度为300℃；冷却水槽4温度为20℃。
四、静置平衡后，将盛丝桶5内凝胶丝平衡后的凝胶原丝先后在萃取设备6中萃取，在干燥设备7中干燥；然后在热牵伸设备一8、热牵伸设备二9、热牵伸设备三10中进行超倍牵伸；牵伸温度为150℃，牵伸倍数为30倍。最后在卷绕设备11收卷成筒，以供后续使用。
实施例3：
本实例以40D特殊功能超高分子量粗旦纤维单丝制备为例：
具体过程与步骤如下：
一、白油作为溶剂，UHMWPE粉与白油混合，UHMWPE粉用量100Kg，白油用量900Kg；UHMWPE粉使用比例10％wt。在溶胀设备1中搅拌器持续搅拌过程中，逐步升温至120℃，溶胀时间80min。
二、将功能性改性组分，在溶胀混合液配制时一同放入溶胀设备1中进行搅拌。
功能性改性组分可以为阻燃改性剂、耐切割改性剂、强度提升改性剂、抗静电改性剂、耐磨改性剂等一种或几种组合；改性剂状态可为液态，即可为液态。
三、溶胀完毕后，溶胀混合液进入双螺杆挤出机2，经过纺丝组件3；通过喷丝板进入冷却水槽4，形成凝胶原丝，落入盛丝桶5(凝胶丝平衡前)。
双螺杆挤出机2转速180rpm；双螺杆挤出机2温度范围为120℃～340℃，由进料口至出料端逐步升温。喷丝板温度为260℃；冷却水槽4温度为0℃。
四、静置平衡后，将盛丝桶5内凝胶丝平衡后的凝胶原丝先后在萃取设备6中萃取，在干燥设备7中干燥；然后在热牵伸设备一8、热牵伸设备二9、热牵伸设备三10中进行超倍牵伸；牵伸温度为130℃，牵伸倍数为60倍。最后在卷绕设备11收卷成筒，以供后续使用。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)超高分子量聚乙烯粉末与白油混合，制备纺丝原液预溶胀料，并保持搅拌状态及升温；
(2)将预溶胀料进入双螺杆挤出机，然后进入纺丝组件经喷丝板成丝，冷却水槽冷却，得到超高分子量凝胶原丝；静置平衡；成丝后原丝落桶时为单丝交叉层叠圆环式的排列方式；
(3)对平衡处理后的凝胶原丝进行萃取、干燥、热牵伸；最后卷绕得到超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝。
2.根据权利要求1所述的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，步骤(1)中纺丝原液预溶胀料中超高分子量聚乙烯含量为7.5％～15％wt。
3.根据权利要求1或2所述的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯粉末的分子量300～600万。
4.根据权利要求1所述的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，步骤(2)中，双螺杆挤出机的转速150～200rpm。
5.根据权利要求1所述的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，步骤(2)中，喷丝板孔径为1.5～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，步骤(2)中，喷丝板温度为200～300℃。
7.根据权利要求1所述的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，步骤(2)中，冷却水槽温度为0～40℃。
8.根据权利要求1所述的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，步骤(3)中，热牵伸温度为130～155℃。
9.根据权利要求1所述的一种凝胶法制备超高分子量聚乙烯粗旦纤维单丝的方法，其特征在于，步骤(3)中，热牵伸倍数为30～60倍。
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