[发明专利]一种高强高模聚乙烯纤维的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚乙烯纤维的生产方法，具体涉及一种快速溶解超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，以实现高强高模聚乙稀纤维的高产能生产方法。

背景技术

高强高模聚乙烯纤维是以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为原料，经过冻胶纺丝、超倍牵伸制得，将原先相互缠绕呈无序排列的聚乙烯大分子通过溶解适当解缠，再超倍拉伸达到极高的取向度和结晶度，从而使纤维具有质轻、柔软、高模、耐紫外线、耐冲击、耐酸碱、耐海水腐蚀等优良性能。

1979年，荷兰DSM公司申请了采用冻胶技术制造超高分子量聚乙烯纤维的专利(NL7900990，NL7904990及相应的US4344908、特公昭64-8732、US4422993)。冻胶技术是指将聚乙烯与合适的溶剂制成纺丝溶液，然后将纺丝溶液冷却到凝胶态，采用萃取工艺将溶剂去除，再经过干燥、超倍(30倍～130倍)热拉伸得到聚乙烯纤维。由于冻胶纺丝法有利于形成更高效传输张力负荷的申长链结构，因此制备出的聚乙烯纤维具有非常高的强度和模量，且耐冲击性能优异，应用比较广泛。

聚乙烯冻胶纺丝的关键技术是制备解除大分子之间缠结的均匀超高分子量聚乙烯溶液。如果溶液不是均匀的，在制备纤维的整个过程中，初生丝条的质量以及在凝胶状态时的拉伸性就会受到严重的影响，材料最终的力学性能也会受到较严重的损害。然而，制造聚乙烯均匀溶液是一项非常复杂的过程，这是因为超高分子量聚乙烯具有非常高的重均分子量(5×10⁵以上)，在聚乙烯溶液采用釜式搅拌过程中，聚乙烯大分子往往聚集在搅拌杆或其它装置的周围，即发生通常所说的韦森堡效应(weissenberkg现象)。发生韦森堡效应时，很难制备均匀的纺丝溶液。

为了解决超高分子量聚乙烯的均匀溶解，人们发明了将超高分子量聚乙烯溶胀后采用双螺杆挤出机进一步溶解聚乙烯制备均匀溶液的方法。CN1190137C、CN1047414C、JP.86-73743、JP86-143439均公开了先将超高分子量聚乙烯在溶剂中经过初步的溶胀后定量地喂入双螺杆挤出机进行溶解的技术方案。由于双螺杆挤出机的卓越的混练效果，大大提高了溶解效果，使超高分子量聚乙烯可溶解浓度得到大幅度的提高，高粘度的溶液又为之后双螺杆挤出机机头压力的建立、脱泡创造了条件。

采用双螺杆挤出机制备超高分子量纺丝溶液的过程可分为两个阶段：聚乙烯纤维在溶剂内的溶胀和在双螺杆挤出机内的溶解。在溶胀阶段，主要表现为溶剂向超高分子量聚乙烯中渗透于扩散，聚乙烯体积膨胀。溶胀是一个对温度极为敏感的吸热过程，仅在很窄的温度范围内进行，溶胀不妥导致无法制得均匀的纺丝溶液。如果溶胀不足，出现“夹生”现象，超高分子量聚乙烯的溶解就会不均匀；溶胀太充分，超高分子量聚乙烯颗粒会聚集成团，阻碍双螺杆挤出机的正常均匀喂入，适当的溶胀成为制备均匀溶液的关键。

如果制备料不均匀的超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液，在纺丝时会造成初生丝条性能不均匀，性能不均匀的初生丝条经过萃取-超拉伸后会制备出性能不稳定的聚乙烯纤维，具体表现在纤维的各种力学性能的离散系数(变异系数。CV值)较大。更严重的是，使用不均匀的超高分子量聚乙烯纺丝溶液进行纺丝还会容易发生断丝的现象。

另外，在溶解阶段，通常要求纺丝溶液在双螺杆挤出机中的停留时间是0.3D分钟，D为螺杆直径。产量越高螺杆直径越大，停留时间要求越长，若要提高产量到300吨/年，纺丝溶液的流量要达到6.25kg/min，纺丝溶液密度要达到0.93kg/L，双螺杆直径要大于135MM才能满足要求。而采用螺杆直径为135MM的双螺杆挤出机，则纺丝溶液在双螺杆挤出机中停留的时间则为40.5分钟，如果停留时间低于40.5分钟，聚乙稀就不能均匀溶解，而目前双螺杆挤出机的螺杆直径大于135MM的，其长径比只能46，不超过52，因此受设备的限制，现有的双螺杆挤出机无法实现一步溶解、混合均匀的目的。因此也就限制了产量的提高。另外对于分子量达到300万以上的超高分子量聚乙烯来说，如果在双螺杆挤出机中停留时间太长，加上剪切力大的话，非常容易造成超高分子量聚乙烯的降解，从而影响到最终纤维的性能。

因此，需要一种能够制备均匀的超高分子量聚乙烯纤维纺丝溶液的方法，以规模化地生产出高强高模聚乙烯纤维。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题，克服现有技术的不足，提供一种高强高模聚乙烯纤维的高产能生产方法，以实现聚乙烯纤维的规模化生产。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：