[发明专利]一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料制备技术领域，特别涉及一种超高分子量聚乙烯纤维生产的采用二甲苯为溶剂的干法纺丝工艺方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维，又称高强度高模量聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量、高取向度等特性，广泛用于防弹防护用品、绳索、缆绳、运动器材的制造。超高分子量聚乙烯纤维是现在世界上比强度最高的商业化高性能纤维。

超高分子量聚乙烯纤维的原料聚乙烯的相对分子量必须大于100万，最好大于400万。

1979年荷兰DSM公司的P.Smith和P.J.Lemstra发明了凝胶纺丝法生产超高分子量聚乙烯纤维的工艺，并取得了英国专利GB2042414和GB2051667。1982年美国的AlliedSignal公司(1999年与Honeywell公司合并，称Honeywell公司)也提出了自己的生产超高分子量聚乙烯纤维的专利US4413110。DSM公司于1990年实现了凝胶纺丝法制超高分子量聚乙烯纤维的工业化生产。

常见的凝胶纺丝法制造超高分子量聚乙烯纤维的主要工艺步骤有：将超高分子量聚乙烯溶于第一溶剂配制成聚乙烯溶液，由螺杆挤出机挤出，经纺丝箱体喷出后，冷却凝固成凝胶纤维，称为初生纤维，再用挥发性的第二溶剂萃取出第一溶剂，最后进行超倍数热牵伸的牵伸和热定型工艺，最终获得成品纤维。

现在世界上生产工艺主要有两大类，一类以DSM和东洋纺为代表的干法纺丝法，另一类以Honeywell代表的湿法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂和后续工艺。DSM工艺，采用十氢萘溶剂。十氢萘易挥发，可以用于干法纺丝，省去了其后的萃取工段；Honeywell采用石蜡油溶剂，需要后续的萃取工段，用第二溶剂将第一溶剂萃取出来。

干法纺丝相对于湿法纺丝，具有流程简单，纺丝过程较为稳定，产品均一等优点；但是需要采用合适的溶剂，即需要有溶解性较好并且容易挥发的溶剂，另外对系统的密闭性要求较高，对回收系统的运行效率要求较高。

美国Honeywell公司在WO2006/073743中提出了一种以十氢萘等物质为溶剂的凝胶纺丝制造超高分子量聚乙烯纤维的方法。在该专利中，超高分子量聚乙烯的十氢萘溶液经过喷丝板挤出后，经过一个纺丝甬道或者水槽，通过气体或者液体冷却溶液形成初生纤维，然后干燥除去纤维中残存的十氢萘，接着进行热牵伸，最后卷绕成型。干燥和冷却的气体采用氮气或者二氧化碳，含有十氢萘的废气采用冷凝或者吸附分离的方法进行净化分离。分离出的十氢萘和洁净气体循环使用。该专利提出可以使用的溶剂除了十氢萘，还有1，2-二氯苯。

十氢萘是超高分子量聚乙烯的良好溶剂，并且易挥发，是现行的干法纺丝生产超高分子量聚乙烯纤维过程中采用的溶剂。但是十氢萘有毒，并且价格高，不易大量获得。十氢萘易燃，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。十氢萘的闪点为57.78℃，爆炸极限为0.7～4.9％。与氧化剂能发生强烈反应。接触空气或在光照条件下可生成具有潜在爆炸危险性的过氧化物。采用十氢萘工艺，对系统的密闭性和回收系统的效率要求高，生产成本较高。四氢萘也具有十氢萘类似的特性及优缺点。

发明内容

本发明的目的是为克服已有干法纺丝工艺的不足之处，提出一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法。该工艺采用二甲苯作为溶剂溶解超高分子量聚乙烯，制成溶液。整条生产线除卷绕工序外，都可在密闭条件下进行生产，具有生产成本较低的优点。

本发明提出的一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法，其特征在于：采用二甲苯为溶剂进行干法纺丝工艺，包括：

1)进料工段：首先使二甲苯溶剂和超高分子量聚乙烯粉料、助剂充分混合溶解；

2)溶解后的物料经过过滤、脱泡后通过螺杆挤出机挤出，经过计量泵和纺丝箱体、喷丝板喷出后，凝固成型；

3)然后通过热气干燥除去纤维中的二甲苯后进行热牵伸，最终卷绕成成品。

上述步骤1)具体包括：

11)将二甲苯溶剂、超高分子量聚乙烯粉料和助剂加入搅拌釜中进行初溶解，时间为5～20小时，温度为90～130℃，最好为100～125℃，所述各成分的重量占总量的百分数为：超高分子量聚乙烯粉料的含量为0.5～5％，(此步骤加入量占总超高分子量聚乙烯加入量的5～50％)，各种助剂的总含量不超过5％，其余为二甲苯溶剂；