本發(fā)明涉及一種高強高模聚乙烯纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
超高分子量聚乙烯纖維的生產(chǎn)目前有干法和濕法兩種生產(chǎn)工藝。濕法紡絲生產(chǎn)工藝一般采用白油為溶劑，將超高分子量聚乙烯粉末溶解在白油中制成紡絲原液，然后經(jīng)紡絲組件擠出成流體絲條，再經(jīng)水浴冷卻后成凍膠絲條，凍膠絲條經(jīng)萃取干燥脫溶劑形成未拉伸原絲，最后經(jīng)過多道熱拉伸制成成品纖維。在濕法紡絲生產(chǎn)過程中，為了控制生產(chǎn)成本，必須要對溶劑和萃取劑進行回收再利用，由于流體絲條是采用水浴進行冷卻，從而在整個體系中引入了大量的水，從而需要對白油和水的混合物以及白油、萃取劑和水的混合物進行分離和回收，這無疑增加了回收的難度和工作量。另外由于體系中有大量水存在，從而也不可避免地對生產(chǎn)設(shè)備造成了一定的腐蝕，不僅會降低設(shè)備的使用壽命，而且設(shè)備上與絲條接觸部位的腐蝕會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種降低溶劑回收的難度，避免體系中水分對設(shè)備的腐蝕，有利于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的高強高模聚乙烯纖維的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
一種高強高模聚乙烯纖維的制備方法，其特征是：包括下列步驟：
（1）將超高分子量聚乙烯粉末與助劑混合后加入到白油中，攪拌均勻，制得固含量5%-12%的超高分子量聚乙烯的紡絲原液；
（2）將上述紡絲原液通過喂料口加入到同向雙螺桿擠出機中，物料在雙螺桿擠出機中經(jīng)過溶脹、溶解和勻化形成均勻的超高分子量聚乙烯溶液；
（3）超高分子量聚乙烯紡絲溶液經(jīng)過過濾脫泡后，經(jīng)噴絲板擠出成流體絲條；
（4）流體絲條經(jīng)過一段氣隙后進入油浴冷卻成凍膠絲條；
（5）凍膠絲條經(jīng)萃取、干燥后形成未拉伸原絲；
（6）未拉伸原絲在130-150℃下經(jīng)多級熱拉伸最終形成成品高強高模聚乙烯纖維。
所述超高分子量聚乙烯粉料的特性粘數(shù)為15-30、分子量分布小于3、堆積密度小于0.46g/m3，所述白油的分子量為300-500，40℃下的運動粘度為70-100cSt。
步驟（1）所述助劑為抗氧劑；所述抗氧劑為抗氧劑168、抗氧劑1010、抗氧劑1076或抗氧劑B225。
超高分子量聚乙烯粉料、抗氧劑與白油的混合物的攪拌溫度在0-110℃，優(yōu)選25-70℃，溫度過高會造成聚乙烯粉料的溶脹甚至溶解，過低不利于節(jié)能。攪拌轉(zhuǎn)速在60-90rpm，攪拌時間不低于30min。
所述用于物料溶脹和溶解的雙螺桿擠出機的直徑90-135cm，長徑比56-72，溶脹區(qū)溫度設(shè)定在100-250℃之間，溶解區(qū)溫度設(shè)定在240-270℃；所述紡絲溶液擠出噴絲板的壓力為3.5-4.5MPa，擠出溫度230-270℃；噴絲板的紡絲孔徑0.5-1mm，長徑比10-30。
所述流體絲條所經(jīng)過的氣隙為惰性氣體氣隙，氣隙長度10-100mm；惰性氣體優(yōu)選使用常溫氮氣。
油浴所用的冷卻介質(zhì)是與溶解超高分子量聚乙烯粉料所用白油同樣規(guī)格的白油，油浴溫度0-30℃，油浴溫度過低會導致粘度過大，溫度過高會影響流體絲條的快速冷卻。
所述萃取為使用沸點較低、與白油互溶的溶劑將凍膠絲條中的白油置換出來，萃取用溶劑選自汽油、甲苯、二甲苯、碳氫清洗劑或四氯乙烯。萃取過程可以在常溫下進行，優(yōu)選在高于常溫的溫度下進行，優(yōu)選借助超聲波震蕩或微波震蕩加強萃取效果。經(jīng)萃取烘干后凍膠絲內(nèi)的白油的殘余含量低于0.005%。
所述熱拉伸分多級進行，優(yōu)選3級以上；拉伸溫度在130-148℃，優(yōu)選低于145℃；熱拉伸總倍數(shù)大于7.2，優(yōu)選大于9，最優(yōu)選大于10；優(yōu)選在熱拉伸之前對絲條進行預熱，預熱溫度50-100℃，優(yōu)選70-90℃。
步驟（1）中紡絲原液的制備方法為直混配料，即直接將超高分子量聚乙烯粉末按比例投入到溶劑中制備紡絲原液，不需要預先制備溶解料再進行混合。
本發(fā)明在制備方法的整個工藝流程中沒有水的引入，整個體系中只有超高分子量聚乙烯、溶劑、萃取劑和微量的熱穩(wěn)定劑。降低了溶劑回收的難度，避免了體系中水分對設(shè)備的腐蝕，有利于穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量。本發(fā)明獲得的高強高模聚乙烯纖維強度28-34cN/dtex、模量1000-1300cN/dtex，含油率低于0.005%；所采用的制備過程工藝流程較短、廢料少。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
具體實施方式
實施例1
取一定量的粘均分子量400萬的超高分子量聚乙烯粉料、抗氧劑加入到以60rpm速度攪拌的白油中，邊攪拌邊升溫至60℃并保持恒溫，恒溫攪拌40min，獲得濃度8%的超高分子量聚乙烯紡絲原液。將上述紡絲原液喂入直徑125cm、長徑比68的雙螺桿擠出機，螺桿轉(zhuǎn)速180rpm，經(jīng)溶脹、溶解、勻混制得均勻的紡絲溶液。紡絲溶液在260度的擠出溫度下經(jīng)紡絲組件擠出成流體絲條，擠出壓力4MPa。流體絲條經(jīng)過10mm長的25度氮氣氣隙后進入25度的白油冷卻槽形成凍膠絲條，凍膠絲條經(jīng)萃取、干燥后直接進入三級熱烘箱中分三段進行熱拉伸，熱拉伸溫度分別是132℃、142℃、143℃，熱拉伸總倍數(shù)9.5倍，最后獲得超高分子量聚乙烯纖維，經(jīng)測試其強度33cN/dtex，模量1210cN/dtex，斷裂伸長3.12%，殘余含油率0。
實施例2
取一定量的粘均分子量590萬的超高分子量聚乙烯粉料、抗氧劑加入到以60rpm速度攪拌的白油中，邊攪拌邊升溫至60℃并保持恒溫，恒溫攪拌40min，獲得濃度7.5%的超高分子量聚乙烯紡絲原液。將上述紡絲原液喂入直徑125cm、長徑比68的雙螺桿擠出機，螺桿轉(zhuǎn)速180rpm，經(jīng)溶脹、溶解、勻混制得均勻的紡絲溶液。紡絲溶液在260度的擠出溫度下經(jīng)紡絲組件擠出成流體絲條，擠出壓力4.2MPa。流體絲條經(jīng)過10mm長的30度氮氣氣隙后進入25度的白油冷卻槽形成凍膠絲條，凍膠絲條經(jīng)萃取、干燥后直接進入三級熱烘箱中分三段進行熱拉伸，熱拉伸溫度分別是134℃、144℃、145℃，熱拉伸總倍數(shù)9倍，最后獲得超高分子量聚乙烯纖維，經(jīng)測試其強度34.4cN/dtex，模量1280cN/dtex，斷裂伸長2.76%，殘余含油率0.002%。
實施例3：
一種高強高模聚乙烯纖維的制備方法，包括下列步驟：
（1）將超高分子量聚乙烯粉末與助劑混合后加入到白油中，攪拌均勻，制得固含量5%-12%的超高分子量聚乙烯的紡絲原液；
（2）將上述紡絲原液通過喂料口加入到同向雙螺桿擠出機中，物料在雙螺桿擠出機中經(jīng)過溶脹、溶解和勻化形成均勻的超高分子量聚乙烯溶液；
（3）超高分子量聚乙烯紡絲溶液經(jīng)過過濾脫泡后，經(jīng)噴絲板擠出成流體絲條；
（4）流體絲條經(jīng)過一段氣隙后進入油浴冷卻成凍膠絲條；
（5）凍膠絲條經(jīng)萃取、干燥后形成未拉伸原絲；
（6）未拉伸原絲在130-150℃下經(jīng)多級熱拉伸最終形成成品高強高模聚乙烯纖維。
所述超高分子量聚乙烯粉料的特性粘數(shù)為15-30、分子量分布小于3、堆積密度小于0.46g/m3，所述白油的分子量為300-500，40℃下的運動粘度為70-100cSt。
步驟（1）所述助劑為抗氧劑；所述抗氧劑為抗氧劑168、抗氧劑1010、抗氧劑1076或抗氧劑B225。
超高分子量聚乙烯粉料、抗氧劑與白油的混合物的攪拌溫度在0-110℃，優(yōu)選25-70℃，溫度過高會造成聚乙烯粉料的溶脹甚至溶解，過低不利于節(jié)能。攪拌轉(zhuǎn)速在60-90rpm，攪拌時間不低于30min。
所述用于物料溶脹和溶解的雙螺桿擠出機的直徑90-135cm，長徑比56-72，溶脹區(qū)溫度設(shè)定在100-250℃之間，溶解區(qū)溫度設(shè)定在240-270℃；所述紡絲溶液擠出噴絲板的壓力為3.5-4.5MPa，擠出溫度230-270℃；噴絲板的紡絲孔徑0.5-1mm，長徑比10-30。
所述流體絲條所經(jīng)過的氣隙為惰性氣體氣隙，氣隙長度10-100mm；惰性氣體優(yōu)選使用常溫氮氣。
油浴所用的冷卻介質(zhì)是與溶解超高分子量聚乙烯粉料所用白油同樣規(guī)格的白油，油浴溫度0-30℃，油浴溫度過低會導致粘度過大，溫度過高會影響流體絲條的快速冷卻。
所述萃取為使用沸點較低、與白油互溶的溶劑將凍膠絲條中的白油置換出來，萃取用溶劑選自汽油、甲苯、二甲苯、碳氫清洗劑或四氯乙烯。萃取過程可以在常溫下進行，優(yōu)選在高于常溫的溫度下進行，優(yōu)選借助超聲波震蕩或微波震蕩加強萃取效果。經(jīng)萃取烘干后凍膠絲內(nèi)的白油的殘余含量低于0.005%。
所述熱拉伸分多級進行，優(yōu)選3級以上；拉伸溫度在130-148℃，優(yōu)選低于145℃；熱拉伸總倍數(shù)大于7.2，優(yōu)選大于9，最優(yōu)選大于10；優(yōu)選在熱拉伸之前對絲條進行預熱，預熱溫度50-100℃，優(yōu)選70-90℃。
步驟（1）中紡絲原液的制備方法為直混配料，即直接將超高分子量聚乙烯粉末按比例投入到溶劑中制備紡絲原液，不需要預先制備溶解料再進行混合。