CN1685092A - 用于制造高强度聚丙烯纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造具有6cN/dtex以上强度和40％以下延伸率的高强度聚丙烯纤维的方法。为了尽可能产生具有高纤度的纤维，首先用250℃以下的低熔点纺造纤维条，并在通过一气态冷却介质冷却纤维条的同时以100m/min以下的较低的牵引速度抽出纤维条。接着通过具有4∶1以上总拉伸比的至少三个拉伸阶段对纤维条进行拉伸，其中纤维条在第一拉伸阶段内得到占总拉伸的至少70％的部分拉伸。在拉伸后将纤维条切断成聚丙烯纤维。

Description

用于制造高强度聚丙烯纤维的方法

技术领域

本发明涉及一种通过连续熔融纺丝、牵引、拉伸和将纤维条切断成聚丙烯纤维来制造具有高强度和低延伸率的高强度聚丙烯纤维的方法。

背景技术

由DE3539185已知一种这一类型的用于制造高强度聚丙烯纤维的单级方法。

在这种已知方法中在纺造后为了冷却直接将纤维条引入一水浴内，接着在一拉伸区内以最高达10∶1的高拉伸比对其进行拉伸。由于纤维条在水池内较快的冷却造成在单根纤维的边缘区域内较高的预取向，结果造成差的可拉伸性。此外这种已知方法只适用于制造具有在3dtex以上范围内的单纤维纤度的较粗的纤维。单是由于水浴引起较高的单根单丝上的摩擦作用便不允许纺造具有较细纤度的纤维。

但特别是在采用这种纤维来加强混凝土时希望纤维强度高而且细。由DE19860335A1已知一种聚丙烯纤维，其中在液体中快速骤冷的缺点通过气冷代替。由此虽然可以制造较小纤度的纤维条，但是有这样的缺点，即纤维具有大于60％的高的延伸率。但是在强化混凝土基体时已经证明，加强纤维的延伸率应该近似相应于待强化的基体材料的延伸率，从而可以尽可能早地由纤维承担载荷并使基体得到保护。因此具有较大延伸率的纤维的适用性受到很大限制。

由EP0535373A1已知一种聚丙烯纤维，它虽然在高强度的同时具有必要的纤度，但是只能用复杂的两级工艺制造。其中纤维在纺造和拉伸后被临时存放，这时通过浸渍进行附加处理。接着在第二阶段内重新拾取、干燥和切断纤维条。

发明内容

现在本发明的目的是，提供一种开头所述类型的制造高强度聚丙烯纤维的方法，通过所述方法可以制造单纤维纤度小于2dtex的特细纤维。

本发明的另一个目的是，提供一种实施该方法的装置。

按照本发明这个目的通过具有权利要求1特征的方法以及通过具有权利要求12特征的装置实现。

本发明有利的改进方案由各从属权利要求的特征和特征组合给出。

本发明的特征为，一方面在纺丝时低的熔化温度结合慢的牵引速度有利于未拉伸纤维的局部分子取向，并形成较高的纤维强度。由于慢的牵引速度在纺丝后的冷却过程中单丝内的聚合物链之间出现低得多的内应力。通过接下来的在三个顺序衔接的拉伸阶段中的拉伸，考虑到在第一拉伸阶段中在纤维中已产生总拉伸量的70％，在纤维内可以进行连续的缓慢的聚合物结晶，从而除了高的强度外在纤维内形成低的残余延伸率以及相应的纤度。

为了强化纤维的有利特性，在第二拉伸阶段内对纤维条的部分拉伸高于后面的第三拉伸阶段内的拉伸。因此在所述拉伸阶段内以分别逐渐降低的拉伸比进行总拉伸。

为了在纺丝后在第一拉伸区内得到尽可能确定的部分拉伸，纤维条在熔融纺造后通过带有多个外壳面被冷却的拉伸辊的第一拉伸装置抽出。接着在第一拉伸阶段内引导纤维条穿过一高温拉伸通道，并将其加热到一100℃以上的温度以进行拉伸。

为了在所述各拉伸阶段内实现尽可能连续的过渡，纤维条在第一拉伸阶段以后至进入第三拉伸阶段为止通过经过多个加热的拉伸辊的引导被连续地调温到一＞100℃的温度。为此形成第二拉伸阶段的拉伸装置的拉伸辊最好设计成被加热的。

此外在第二拉伸阶段内可以通过另一高温拉伸通道对纤维条进行另一热处理。这里在所述高温拉伸通道内可通过热空气或通过热蒸汽加热纤维条。已经证明，在第一拉伸区内用热空气，而在第二拉伸区内用热蒸汽对纤维条进行调温，是特别有利的。

在拉伸以后最好通过由第三拉伸阶段端部处的第四拉伸装置的多个冷却的拉伸辊的引导冷却纤维条。

另一种方法变型方案这样来实现，即在拉伸后切断前对纤维条进行卷曲变形。

为了达到10吨以上的尽可能高的日生产能力，纤维条最好通过一具有约60000-120000的大量喷丝孔的环形或矩形喷丝头挤出。

按权利要求12的用于实施本发明方法的本发明的装置的特征为，拉伸阶段的形成和划分，从而可以制造具有6cN/dtex以上的高强度的、低于40％，尤其是低于20％的低延伸率的，具有在单纤维纤度上相应的纤度的聚丙烯纤维。其中中间的拉伸装置的拉伸辊最好设计成可加热的，以在拉伸期间得到对纤维条的均匀和连续的调温。在整个拉伸区的入口和出口处的拉伸装置最好设计成带有冷却的拉伸辊。

附图说明

下面借助于本发明装置的一个实施例参照附图详细说明本发明的方法。

附图表示：

图1示意性地示出用于实施按本发明的方法的本发明的装置的第一实施例；

图2示意性地示出按本发明的装置的另一实施例。

具体实施方式

在图1中示意性地示出用于单级制造聚丙烯纤维的本发明的装置的第一个实施例。这种装置作为用于尤其是由聚丙烯制造短纤维的紧凑式纺丝设备在本领域是公知的。所述紧凑式设备以在最大为250m/min范围内的纺丝速度工作。从而可以达到每天高达50吨的非常高的生产能力。

本发明的装置相当于这种紧凑式设备，为此具有一带有多个并排设置的纺丝位置2.1、2.2和2.3的纺丝装置1。图1中所示的实施例的纺丝2位的数量只是示例性的。每个纺丝位置2.1至2.3的结构相同，因此借助于纺丝位置2.1对它们作详细的说明。

为了挤出多个纤维条最好设置一在其底侧上具有多个喷丝孔的环形喷丝头3。例如可在喷丝头3中以环形或矩形布置设置多达120000个喷丝孔。喷丝头3与一向喷丝头3输送压力下的熔体流的熔体源(这里未画出)连接。原则上挤出机、泵或两者的组合适合于作为熔体源，以向喷丝头3输送熔体流。纺丝位置2.1、2.2和2.3的喷丝头3设置在一加热的纺丝箱体15内。在纺丝箱体15的下面在纺丝位置2.1内设有一基本上与喷丝头3对中的冷却装置4。冷却装置4设计成一吹风装置，在该装置中由一环形吹风喷嘴产生冷区空气流，从而冷却空气从内向外穿过由纤维条形成的环形帘幕(Schleier)，以冷却纤维条。在所示实施例中从上方通过纺丝箱体15向冷却装置4输送冷却空气。但是冷却空气输送装置也可以侧向地位于喷出的纤维条附近。

为了引导和处理在按图1的实施例中用附图标记5表示的纤维条，在纺丝装置1后面设置多个处理装置。首先纺丝装置1直接配设一牵引装置6。在每个纺丝位置牵引装置6都包括用于上油和引导纤维条5的装置。这样例如在上油时可以通过辊子在纤维条上施加上油剂。牵引装置6设置在纺丝装置1下方。通过牵引装置6纺丝位置2.1、2.2和2.3的纤维条5从垂直的路径中偏转出来并进行合并。这时也称为丝条或丝束的多个纤维条5由一第一拉伸装置7.1抽出。拉伸装置7.1直接设置在牵引装置6旁边。

在拉伸装置7.1后面设置总共三个另外的拉伸装置7.2、7.3和7.4。在拉伸装置7.1、7.2、7.3和7.4之间分别形成一拉伸阶段。即在第一拉伸装置7.1和第二拉伸装置7.2之间形成一第一拉伸阶段9.1。在拉伸装置7.2和7.3之间形成一第二拉伸阶段9.2，在拉伸装置7.3和7.4之间形成一第三拉伸阶段9.3。拉伸装置7.1至7.4中的每一个分别具有多个以单圈缠绕引导纤维条5的拉伸辊8。拉伸装置7.1至7.4的拉伸辊8是受驱动的，其中拉伸装置7.1至7.4的拉伸辊8根据所希望的拉伸比以不同的周向速度运行。为了可同时对纤维条进行热处理，拉伸装置7.1至7.4的拉伸辊8根据要求的不同具有一冷却的辊壳或加热的辊壳。此外为了在第一拉伸装置7.1和第二拉伸装置7.2之间对纤维条进行热处理，在第一拉伸阶段9.1内设一高温拉伸通道10。在高温拉伸通道10内借助于热空气或热蒸汽将纤维条5调温到一预定温度。在第二拉伸阶段9.2内在拉伸装置7.2和7.3之间同样设有另一高温拉伸通道10。

在通过顺序设置的拉伸装置7.1至7.4构成的纤维路径的端部设有一拉力调整装置11以及一切断装置12，以连续地将纤维条切断成具有规定纤维长度的短纤维。

为了实施本发明的方法在图1所示的装置中，首先将包括聚丙烯的聚合物熔体在纺丝装置1中在压力作用下通过纺丝位置2.1至2.3的喷丝头3挤出成多个纤维条。从喷丝头3中出来的纤维条5通过牵引装置6由拉伸装置7.1以低于100m/min的牵引速度，尤其是以低于50m/min的牵引速度从喷丝头3中抽出。这时纤维条5借助于冷却装置4通过最好由空气组成的雾状或气态冷却介质流冷却，接着对其进行上油，在离开牵引装置6时合并成一包含所有纤维条的丝条。以牵引速度驱动第一拉伸装置7.1和拉伸辊8，其中同时在第一拉伸装置7.1的拉伸辊8的周向上对纤维条进行进一步冷却。为此第一拉伸装置7.1的拉伸辊8设计成带有冷却的外壳面。

在总共三个分别具有不同拉伸比的拉伸阶段9.1、9.2和9.3内进行纤维条5的拉伸。总拉伸比在4∶1以上。这里在各阶段内以不同的强度进行纤维条的拉伸。为了得到高强度的特别细的纤维，在第一拉伸阶段9.1内以占总拉伸比至少70％的部分拉伸拉伸纤维条。为了在第一拉伸阶段9.1内进行拉伸，纤维条5在高温拉伸通道10内尤其是通过热空气加热到一＞100℃的温度，接着由同样加热到100℃以上的温度的第二拉伸装置7.2的拉伸辊8引导。在第二拉伸阶段9.2内进行纤维条5的第二部分拉伸，其中同样在一高温拉伸通道10内进行处理。纤维条由第三拉伸装置7.3继续部分拉伸，其中在第二拉伸阶段9.2内的部分拉伸高于在第三拉伸阶段9.3内的最终部分拉伸。第三拉伸装置7.3的拉伸辊8同样被加热到＞100℃的表面温度，以得到均匀连续的拉伸。在第三部分拉伸后纤维条5通过第四拉伸装置7.4的冷却拉伸辊8冷却，接着均匀地切断成规定长度的纤维。

在采用市场上常见的聚丙烯聚合物时，可在多个系列性试验中制造具有6.6mm或13mm纤维长度的纤维，它们具有在0.9至1.6dtex范围内的单纤维纤度，在8至9才N/dtex范围内的强度和在18至21％范围内的延伸率。这里在纺造纤维条时将熔体温度(Schmelzetemperatur)调整到≤250℃的数值。喷嘴板具有一带几万个喷丝孔的圆环形布局。

第一拉伸装置7.1的拉伸辊以25至40m/min范围内的牵引速度，第二拉伸装置7.2的拉伸辊以80至115m/min范围内的速度、第三拉伸装置7.3的拉伸辊以100至140m/min范围内的速度、第四拉伸装置7.4的拉伸辊以110至160m/min范围内的速度驱动。拉伸辊8的表面温度在第一拉伸装置7.1中为约30℃，在第二拉伸装置7.2中＞100℃，在第三拉伸装置7.3中同样＞100℃，在第四拉伸装置7.4中为约30℃。在第一拉伸阶段中通过高温拉伸通道用具有100℃以上的温度的热空气进行纤维条的调温。在第二拉伸阶段9.2中用温度＜100℃的热蒸汽处理纤维条。由此实现的用于制造所述纤维的部分拉伸在第一拉伸阶段9.1内在2.8至3.2∶1的范围内，在第二拉伸阶段9.2中在1.05至1.5∶1的范围内，在第三拉伸阶段9.3中在1.05至1.3∶1的范围内。特别是在第一拉伸阶段9.1中高的拉伸比和在第二拉伸阶段9.2在较高的温度下和在第三拉伸阶段9.3中在较低的温度下的后续拉伸，结合较小的牵引速度，使得在纤维条内进行优选的缓慢和连续的聚合物结晶。这种缓慢和连续的结晶使得在较小残余延伸率下实现高的强度。这里通过多级拉伸可制造具有2dtex以下单纤维纤度的特别细的纤维。

在图2中示意性地示出用于实施本发明方法的本发明装置的另一实施例。在图2所示的实施例中未示出纺丝装置1和牵引装置6。它们和上述实施例相同，因此可参照上述说明。

在图2中所示的实施例中，用于处理纤维条而前后顺序设置的处理装置由拉伸装置7.1、7.2、7.3和7.4以及一卷曲变形装置13、一干燥装置14，以及一拉力调整装置11和一切断装置12形成。拉伸装置7.1至7.4设计成基本上和上述实施例相同，只是每个拉伸装置所用的拉伸辊8的数量不同。为了处理纤维条，在每个拉伸阶段9.1、9.2和9.3中分别设有一高温拉伸通道10。其中在第一拉伸阶段9.1和第二拉伸阶段9.2中的高温拉伸通道10内最好通过热空气进行纤维段的处理，而在第三拉伸阶段9.3内用蒸汽进行。但是也可以在每个拉伸阶段9.1至9.3内通过热空气处理和蒸汽处理的组合进行纤维的处理。

利用在图2中所示的实施例，可制造这样的卷曲变形聚丙烯纤维，它具有大于6cN/dtex的强度，＜40％，尤其是＜30％的延伸率和单纤维纤度＜2dtex的纤度。为此纤维条5在拉伸后由卷曲变形装置13卷曲变形。卷曲变形装置13通常设计成填塞箱卷曲变形装置，其中通过输送装置将纤维条压入填塞箱。在卷曲变形后将纤维条输入干燥装置14，接着通过拉力调整装置11以规定的拉力将其输送给切断装置12。通常在卷曲变形装置前面还连接一丝束并合装置和蒸汽通道(都未示出)。

按图1和2的按本发明的装置的实施例的结构在处理装置的数量和选择上是举例性的，原则上存在引入附加的处理装置和处理阶段的可能性，例如通过用于形成适合于卷曲变形的纤维进料(Faserbelegung)的丝束并合。同样也可以前后顺序形成三个以上的拉伸阶段。对于按本发明的方法和按本发明的装置重要的是，在低的牵引速度的同时，结合以至少三个拉伸阶段拉伸纤维条，并考虑到第一拉伸阶段中高的部分拉伸的情况下，以低的熔体温度进行纺丝。为实现按本发明的方法重要的是，在纺丝和冷却后首先形成轻微预取向的纤维段的分子结构，以便然后得到均匀和连续的结晶。但是原则上也存在这样的可能性，即用本发明的装置加工其它聚合物，例如聚酯或聚酰胺。

                  附图标记表

1                        纺丝装置

2.1、2.2、2.3            纺丝位置

3                        喷丝头

4                        冷却装置

5                        纤维条

6                        牵引装置

7.1、7.2、7.3、7.4       拉伸装置

8                        拉伸辊

9.1、9.2、9.3            拉伸阶段

10                       高温拉伸通道

11                       拉力调整装置

12                       切断装置

13                       卷曲变形装置

14                       干燥装置

15                       纺丝箱体

Claims (15)

1.用于制造具有6cN/dtex以上的强度和低于40％的延伸率的高强度聚丙烯纤维的方法，具有以下步骤：

1.1由一种具有≤250℃的熔体温度的聚丙烯熔体熔融纺造多个纤维条；

1.2在以一气态冷却介质冷却所述纤维条的同时以一＜100m/min的牵引速度抽出纤维条；

1.3在具有大于4∶1的总拉伸比的至少三个拉伸阶段中拉伸所述纤维条，其中所述纤维条在第一拉伸阶段中得到占所述总拉伸至少70％的部分拉伸；

1.4将所述纤维条切断成具有规定纤维长度的聚丙烯纤维。

2.按权利要求1所述的方法，其特征为：所述纤维条在第二拉伸阶段中的部分拉伸大于所述纤维条在第三拉伸阶段中的部分拉伸。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：在熔融纺造后通过具有多个拉伸辊的第一拉伸装置抽出所述纤维条，所述拉伸辊分别具有一冷却的外壳面。

4.按权利要求1至3之任一项所述的方法，其特征为：在第一拉伸阶段内引导所述纤维条穿过一高温拉伸通道，并将所述纤维条加热到一＞100℃的温度。

5.按权利要求1至3之任一项所述的方法，其特征为：在第一拉伸阶段后到进入第三拉伸阶段为止，通过由多个加热的拉伸辊的引导而将所述纤维条调温到一＞100℃的温度。

6.按权利要求4所述的方法，其特征为：形成第二拉伸阶段的拉伸装置的拉伸辊具有具有＞100℃的温度的加热表面。

7.按上述权利要求之任一项所述的方法，其特征为：在第二拉伸阶段内引导所述纤维条穿过一高温拉伸通道并对所述纤维条加热。

8.按权利要求3或7所述的方法，其特征为：所述纤维条在穿过高温拉伸通道期间由热空气和/或热蒸汽加热。

9.按权利要求1至8之任一项所述的方法，其特征为：在拉伸后冷却所述纤维条，其中通过在第三拉伸阶段端部处的一第四拉伸装置的多个冷却的拉伸辊引导所述纤维条，以进行调温。

10.按权利要求1至9之任一项所述的方法，其特征为：在拉伸之后和切断之前对所述纤维条进行卷曲变形。

11.按上述权利要求之任一项所述的方法，其特征为：所述纤维条通过一具有60000至120000的多个喷丝孔的环形喷丝头挤出。

12.实施按权利要求1至11之任一项所述的方法的装置，具有一用于熔融纺造纤维条(5)的纺丝装置(1)，多个用于引导和处理所述纤维条(5)的处理装置(6、7、10、11)和一用于切断所述纤维条(5)的切断装置(12)，其中所述处理装置(6、7、10、11)具有多个用于拉伸所述纤维条(5)的分别具有多个拉伸辊(8)的拉伸装置(7.1、7.2、7.3)，其特征为：所述拉伸装置(7.1-7.4)设置成总共三个拉伸阶段(9.1、9.2、9.3)；并且相互可这样地相对驱动所述拉伸装置(7.1-7.4)的拉伸辊(8)，使得在形成第一拉伸阶段(9.1)的拉伸装置(7.1、7.2)之间形成的速度差产生总拉伸的至少70％。

13.按权利要求12所述的装置，其特征为：形成第二拉伸阶段(9.2)的拉伸装置(7.2、7.3)的拉伸辊(8)设计成可加热的。

14.按权利要求12或13所述的装置，其特征为：在第一拉伸阶段(9.1)之前的一第一拉伸装置(7.1)的拉伸辊(8)设计成被冷却的。

15.按权利要求12至14之任一项所述的装置，其特征为：在第三拉伸阶段(9.3)端部处的最后一个拉伸装置(7.4)的拉伸辊(8)设计成被冷却的。