一種聚乙烯纖維及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及采用熔融紡絲法制得一種7?20g/d聚乙烯纖維及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚乙烯是乙烯經(jīng)聚合制得的一種熱塑性樹(shù)脂，根據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量的不同可分為:尚密度聚乙稀(分子量一般5?20萬(wàn))和尚相對(duì)分子質(zhì)量聚乙稀(分子量30?100萬(wàn))，以及相對(duì)分子質(zhì)量大于100萬(wàn)的超高分子量聚乙烯。其中超高分子量聚乙烯纖維因具有高強(qiáng)高模、高耐磨性、自潤(rùn)滑性以及化學(xué)穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如航空航天材料和防護(hù)裝備。超高分子量聚乙烯纖維在民用領(lǐng)域也有應(yīng)用，如紡織業(yè)和建筑領(lǐng)域，但是其工業(yè)生產(chǎn)方法主要還是采用凍膠紡絲法。而高密度聚乙烯和高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯的工業(yè)制品主要是管材、棒材和塑料薄膜等，纖維制品數(shù)量極少。
[0003]上世紀(jì)70年代末，荷蘭DSM公司利用凍膠紡絲法實(shí)現(xiàn)了超高分子量聚乙烯纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。并申請(qǐng)專利公開(kāi)了利用十氫萘作為溶劑解纏超高分子量聚乙烯制備濃度為2?10%紡絲原液，原液經(jīng)噴絲孔噴出，低溫下凝固成絲，再萃取出溶劑后進(jìn)行高倍拉伸，最后卷繞成筒，得到成品絲，得到絲的強(qiáng)度達(dá)到35g/d以上。
[0004]專利CN 102002769 B公開(kāi)了一種超高分子量聚乙烯纖維制備方法，選用低密度聚乙烯或線性低密度聚乙烯的改性母粒為改性劑，與超高分子量聚乙烯混合經(jīng)螺桿熔融紡絲，再經(jīng)兩次超倍拉伸，干燥定型后成為成品纖維，纖維強(qiáng)度為15?25CN/dtex。
[0005]專利WO 2009105926 Al公開(kāi)了一種10?50g/d高強(qiáng)聚乙烯纖維及其制法，利用原料為分子量為2.5?50萬(wàn)的低密度聚乙烯與分子量為120?700萬(wàn)的超高分子量聚乙烯按照重量比2?10:1混合而成，再經(jīng)雙螺桿共混熔融后形成聚合物熔體，再由噴絲板噴出，低倍拉伸后形成初生絲，再經(jīng)多次高倍牽伸后干燥卷繞成筒，得到成品纖維，纖維強(qiáng)度為 10 ?50g/d、模量 400 ?2000g/do
[0006]專利CN 101935894 A公開(kāi)了一種超高分子量聚乙烯纖維的制備方法及設(shè)備，利用有機(jī)蒙脫土、和/或高分子液晶、和/或有機(jī)硅為改性劑，改性分子量為150萬(wàn)以上的超高分子量聚乙烯，將改性劑與超高分子量聚乙烯經(jīng)擠出機(jī)熔融，再由噴絲板噴出，冷卻預(yù)拉伸后得到初生絲，再經(jīng)多次牽伸后得到成品纖維，纖維強(qiáng)度為1500?3000MPa，即17.5?35.0g/do
[0007]與凍膠紡絲法相比，熔融紡絲法不需要添加有機(jī)溶劑，減少了溶劑添加，溶劑萃取環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了工藝流程，安全環(huán)保，生產(chǎn)成本低。凍膠紡絲法得到的纖維強(qiáng)度較高，但產(chǎn)品成本高，所以制品價(jià)格比較貴。本發(fā)明采用熔融紡絲法得到7?20g/d的聚乙烯纖維，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品價(jià)格合理，可以更好的滿足民用領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0008]目前，利用低分子量聚合物作為超高分子量聚乙烯的改性劑，由于改性劑的分子量與超高分子量聚乙烯的相差較大，分子鏈長(zhǎng)短有差別，分子鏈間相互作用力不同，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，形成裂紋，致使在加工過(guò)程中很容易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，造成生產(chǎn)不連續(xù)，影響生產(chǎn)效率，以及產(chǎn)率。本發(fā)明是利用硅氧烷類、和/或酰胺類、和/或硬脂酸鹽類的潤(rùn)滑劑作為聚乙烯的改性劑，與低分子量聚合物相比，它們均是小分子物質(zhì)，表面積大，能夠很好的與聚乙烯原料進(jìn)行混合，而改性劑的潤(rùn)滑性可以明顯改善聚乙烯熔體的加工流動(dòng)性以及纖維表面光潔性。
[0009]本發(fā)明所使用的改性劑除具有潤(rùn)滑性外，小分子潤(rùn)滑劑分散在聚乙烯中，在聚乙烯纖維拉伸結(jié)晶過(guò)程中充當(dāng)成核劑，促進(jìn)結(jié)晶的進(jìn)行，提高纖維的結(jié)晶度，而纖維的強(qiáng)度也相應(yīng)得到改善；眾所周知，熔融紡絲法很難實(shí)現(xiàn)超高分子量聚乙烯纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，是由于其熔融狀態(tài)下的高粘度，使其無(wú)法從擠出機(jī)中熔融擠出，而本發(fā)明不僅解決熔紡聚乙烯纖維強(qiáng)度低的問(wèn)題，同時(shí)，潤(rùn)滑劑的加入還改善了超高分子量聚乙烯的加工流動(dòng)性，順利實(shí)現(xiàn)熔融紡絲，獲得聚乙烯纖維。
[0010]經(jīng)查閱大量資料，并未發(fā)現(xiàn)有利用硅氧烷類、和/或酰胺類、和/或硬脂酸鹽類的潤(rùn)滑劑作為聚乙烯改性劑，通過(guò)熔融紡絲法得到7?20g/d聚乙烯纖維的公開(kāi)文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)度為7?20g/d，模量為200?600g/d，斷裂伸長(zhǎng)率為3?10%，結(jié)晶度為65?90%，采用分子量為30?800萬(wàn)的聚乙烯、潤(rùn)滑劑和抗氧劑共混熔融紡絲制備聚乙烯纖維的方法。
[0012]本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種聚乙烯纖維，所述聚乙烯纖維的原料包括聚乙烯、潤(rùn)滑劑，所述各原料的重量份數(shù)比為:
聚乙烯 99.5?90 潤(rùn)滑劑 0.5?10 ;
進(jìn)一步的，所述聚乙烯纖維的原料還包括抗氧劑，所述抗氧劑的重量份數(shù)比為:
抗氧劑 0.1?10。
[0013]進(jìn)一步的，所述聚乙稀的分子量為30萬(wàn)?800萬(wàn)。
[0014]進(jìn)一步的，所述潤(rùn)滑劑為硅氧烷類、和/或酰胺類、和/或硬脂酸鹽類。
[0015]進(jìn)一步的，所述抗氧劑為多酚受阻酚類和/或復(fù)合抗氧劑。
[0016]進(jìn)一步的，所述硅氧烷類潤(rùn)滑劑，是甲基硅油、二甲基硅油、乙基硅油和苯甲基硅油中的一種或幾種的混合物；所述酰胺類潤(rùn)滑劑，是油酸酰胺、芥酸酰胺和硬脂酸酰胺中的一種或幾種的混合物；所述硬脂酸鹽潤(rùn)滑劑，是硬脂酸鈣和硬脂酸鋅中的一種或兩種的混合物。
[0017]進(jìn)一步的，所述多酚受阻酚類抗氧劑，是抗氧劑1010、抗氧劑1076中的一種或兩種的混合物；所述復(fù)合抗氧劑，是抗氧劑215和抗氧劑225中的一種或兩種的混合物。
[0018]所述聚乙烯纖維可應(yīng)用于紡織業(yè)、環(huán)保、醫(yī)藥和建筑領(lǐng)域。
[0019]本發(fā)明的另一目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種聚乙烯纖維的制備方法，所述制備方法包含步驟如下:
I)將聚乙烯、潤(rùn)滑劑和抗氧劑按照質(zhì)量比為99.5?90:0.5?10:0?10進(jìn)行混合，混合料進(jìn)入雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)熔融，螺桿直徑為20?45mm，熔融溫度為130?330°C，制得聚乙烯熔體； 2)所述聚乙烯熔體由噴絲板噴出，噴絲板孔徑為0.1?2mm，出絲速度為0.2?5m/min，再經(jīng)自然風(fēng)或循環(huán)水冷卻成型，若使用循環(huán)水冷卻成型，則冷卻水溫度為10?25°C，冷卻水的流速為0.1?2m/min，水槽的長(zhǎng)度為I?3米，噴頭拉伸的倍數(shù)為I?30倍，制得初生絲；
3)將初生絲經(jīng)導(dǎo)絲輥送入兩個(gè)水浴槽內(nèi)，初生絲在水浴槽中均勻牽伸，水浴溫度為50?90°C，水浴槽長(zhǎng)度為I?5m，牽伸倍數(shù)為5?50倍；
4)牽伸后的纖維通過(guò)熱吹風(fēng)箱除去水份，熱風(fēng)溫度為50?90°C，風(fēng)速為O?5m/min，并利用卷繞機(jī)卷繞成筒，得到拉伸強(qiáng)度為7?20g/d的聚乙烯纖維。
[0020]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是:
1)與傳統(tǒng)的凍膠紡絲法相比，本發(fā)明采用熔融紡絲法，無(wú)溶劑萃取環(huán)節(jié)，安全環(huán)保，生產(chǎn)連續(xù)，生產(chǎn)效率高，大大降低聚乙烯纖維的生產(chǎn)成本，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)；
2)本發(fā)明利用小分子潤(rùn)滑劑作為聚乙烯的改性劑，增加聚乙烯熔體的流動(dòng)性，改善聚乙烯的加工性能及纖維表面光潔性，同時(shí)，潤(rùn)滑劑在聚乙烯中充當(dāng)成核劑，促進(jìn)結(jié)晶的進(jìn)行，制得強(qiáng)度為7?20g/d，模量為200?600g/d，斷裂伸長(zhǎng)率為3?10%，結(jié)晶度為65?90%的聚乙烯纖維；
3)目前市售的聚乙烯纖維的強(qiáng)度一般是30g/d以上，并且生產(chǎn)成本高，大多應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，本發(fā)明采用熔融紡絲法獲得7?20g/d的聚乙烯纖維，生產(chǎn)成本低，可廣泛應(yīng)用于民用行業(yè)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1
一種聚乙烯纖維，所述聚乙烯纖維的原料包括聚乙烯、潤(rùn)滑劑，所述各原料的重量份數(shù)比為:
聚乙烯 99.5?90 潤(rùn)滑劑 0.5?10 ;
進(jìn)一步的，所述聚乙烯纖維的原料還包括抗氧劑，所述抗氧劑的重量份數(shù)比為:
抗氧劑 0.1?10。
[0022]進(jìn)一步的，所述聚乙稀的分子量為30萬(wàn)?800萬(wàn)。
[0023]進(jìn)一步的，所述潤(rùn)滑劑為硅氧烷類、和/或酰胺類、和/或硬脂酸鹽類。
[0024]進(jìn)一步的，所述抗氧劑為多酚受阻酚類和/或復(fù)合抗氧劑。
[0025]進(jìn)一步的，所述硅氧烷類潤(rùn)滑劑，是甲基硅油、二甲基硅油、乙基硅油和苯甲基硅油中的一種或幾種的混合物；所述酰胺類潤(rùn)滑劑，是油酸酰胺、芥酸酰胺和硬脂酸酰胺中的一種或幾種的混合物；所述硬脂酸鹽潤(rùn)滑劑，是硬脂酸鈣和硬脂酸鋅中的一種或兩種的混合物。
[0026]進(jìn)一步的，所述多酚受阻酚類抗氧劑，是抗氧劑1010、抗氧劑1076中的一種或兩種的混合物；抗氧劑1010為四[β - (3，5- 二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯，抗氧劑1076為β- (3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸十八碳酸酯。所述復(fù)合抗氧劑，是抗氧劑215和抗氧劑225中的一種或兩種的混合物。所述抗氧劑215和抗氧劑225均是抗氧劑1010與抗氧劑168的復(fù)配物。上述抗氧劑均購(gòu)于三河市金五星玻化銷售中心。
[0027]所述聚乙烯纖維可應(yīng)用于紡織業(yè)、環(huán)保、醫(yī)藥和建筑領(lǐng)域。
[0028]所述聚乙烯纖維的制備方法，包含步驟如下:
1)將聚乙烯、潤(rùn)滑劑和抗氧劑按照質(zhì)量比為99.5?90:0.5?10:0.1?10進(jìn)行混合，混合料進(jìn)入雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)熔融，螺桿直徑為20?45mm，熔融溫度為130?330°C，制得聚乙烯熔體；
2)所述聚乙烯熔體由噴絲板噴出，噴絲板孔徑為0.1?2mm，出絲速度為0.2?5m/min，再經(jīng)自然風(fēng)或循環(huán)水冷卻成型，冷卻水溫度為10?25°C，冷卻水的流速為0.1?2m/min，水槽的長(zhǎng)度為I?3米，噴頭拉伸的倍數(shù)為I?30倍，制得初生絲；
3)將初生絲經(jīng)導(dǎo)絲輥送入兩個(gè)水浴槽內(nèi)，初生絲在水浴槽中均勻牽伸，水浴溫度為50?90°C，水浴槽長(zhǎng)度為I?5m，牽伸倍數(shù)為5?50倍；
4)牽伸后的纖維通過(guò)熱吹風(fēng)箱除去水份，熱風(fēng)溫度為50?90°C，風(fēng)速為O?5m/min，并利用卷繞機(jī)卷繞成筒，得到拉伸強(qiáng)度為7?20g/d的聚乙烯纖維。
[0029]對(duì)比例
本實(shí)施例為對(duì)比例，本實(shí)施例所述的聚乙烯纖維原料中不含有潤(rùn)滑劑和抗氧劑，具體制備方法如下:
1)聚乙烯分子量為50萬(wàn)，不加潤(rùn)滑劑和抗氧劑，聚乙烯原料進(jìn)入雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)熔融，螺桿直徑為20mm，熔融溫度為150°C，制得聚乙烯熔體；
2)所述聚乙稀恪體由噴絲板噴出，噴絲板孔徑為0.3mm，出絲速度為0.6m/min,再經(jīng)自然風(fēng)冷卻成型，制得初生絲，噴頭拉伸的倍數(shù)為5倍；
3)將初生絲經(jīng)導(dǎo)絲輥送入兩個(gè)水浴槽內(nèi)，初生絲在油浴槽中均勻牽伸，第一個(gè)水浴槽中水浴溫度為80°C，水浴槽長(zhǎng)度為lm，牽伸倍數(shù)為5倍，第二個(gè)水浴槽中水浴溫度為90°C，水浴槽長(zhǎng)度為lm，牽伸倍數(shù)為10倍。
[0030]4)牽伸后的纖維通過(guò)熱吹風(fēng)箱除去水份，