[发明专利]超高强高模聚乙烯纤维同浴一步法凝胶化结晶染色方法

说明书

技术领域 

本发明涉及一种用于溶液纺丝工艺中的同浴同步染色方法，尤其涉及一种超高强高模聚乙烯纤维同浴一步法凝胶化结晶染色方法。 

背景技术 

超高分子量聚乙烯纤维( Ultra High Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE纤维)，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，其原料分子量在300万-600万的聚乙烯通过溶液纺制所纺出的纤维。在军工、航天、海洋以及采矿、防弹、防割裂、防冲击用特种材料领域的应用产品被正在大量被开发出来；UHMWPE纤维的生产工艺至今主要根据“准稀浓度条件下速冷的凝胶纺丝法-, GL法”（参见文献1、2、3）而开发，GL法通过使超高分子量乙烯链达完全伸直链结晶态而获得生产。在现有技术中，这一准稀浓度条件下凝胶纺丝法的主要步骤如下： 

由超高分子量聚乙烯粉末和适当的溶剂，在较高温度下经搅拌均质机混合溶解，生成一定浓度的纺丝原液，注入高温螺杆挤出机挤出，然后通过多孔喷丝板形成多丝束，并进入水浴凝固，获得聚乙烯纤维的凝胶初纺原纤丝，该初纺丝经萃取，干燥，逐级超倍热拉伸后获得高强高模聚乙烯纤维成品。本方法所得纤维成品，实为凝聚态亚微观纳微米纤尺度晶相组成，宏观均呈白色，对其着色较难，不能满足不同应用领域对颜色的要求；这主要是由于超高分子量聚乙烯一次结构的大分子链可视为无限长碳饱和链组成，高次结构的纳微米纤晶相致密，与其它纤维染色不同，不存在可容纳染料分子的染座，且本体系属于高温湿法纺，一般的染料分子耐高温性差，无法与之结合进行染色。因此常规染料分子及纤维染色方法对超高分子量聚乙烯纤维均不适用，使其众多领域应用范围受到了难着色所带来的制约，现引起业界关注。 

现有技术中，专利CN103046403A、CN102953186A、公开了几种对纤维通过表面强氧化处理加工工艺，包括对染料的机械强制粉碎、预定形、络筒、上染和后处理，同时在染色时需加入多种助剂，染色后尚还需进行后处理。该类发明不足在于： 

①采用高浓度强氧化剂硫酸、硝酸的方法或机械摩擦方法对纤维表面进行改性，此类工艺对UHMWPE纤维分子链C-C键易遭破坏，且对生产流线及环保不利；

②需在染色时加入对纤维起膨化、增塑作用的较大量各种助剂等； 

③染后需施以树脂涂料对纤维进行包覆，使其纤维表面形成一层致密的包覆膜来提高染色牢度；均导致UHMWPE纤维表面变性，而损失原纤维高耐磨、自润滑，表面强度及柔软性这些特有的UHMWPE纤维高优性能。 

专利CN102586925A是采用添加色母粒的制作方法，该法是在纺前添加色母料的方法，是将色母粒添加制成切片，然后进行熔融纺丝，这种方法可以使纤维染色，然而色母粒料与切片之间的微观相容性较差，同时该法需添加20%的HDPE(分子量为十万级的低分子量聚乙烯)，使UHMWPE熔体体系分子量下降，链末端数增加，分子量分布变宽，导致凝胶相流变性和可纺性不佳；该母粒的引入导致大量增塑剂等，后续生产获得的纤维内部结构被破坏、伸直链结晶比例下降，致使纤维强度大大降低，无法发挥其高强高模的优势，且设备繁琐、耗能大，很难得到有效的应用。 

而专利CN102776596A则是试图在纺丝溶胀液中，加入一种染色液；该专利的染色液配制同样由颜料与各种助剂（包括抗氧剂、成核剂、各种表面活性剂、乳化剂、稳定剂、润滑剂、消泡剂、无机滑石粉等）成核剂组成；该专利实质上与前例专利CN102586925A所采用添加“染色母粒”的方法的结果产生有同样性质的弊端，最终纺丝原液浓度也较难提升；同时所存在明显不足还在于：①该专利中虽未示出所选颜料类属（应与染料不同，颜料应为染料经过混合加工处理后的一种复混合物色浆或经碾磨细粒，所混入填料易烧焦造成喷丝孔阻塞，且染料显色分子实际有效占比小）及分子结构类，但从实施例所选颜料看其为酞箐、偶氮苯等类类染料，该类颜料用于本体系工艺中其耐热氧化性、耐热迁移性较差，按该专利欲使其颜料成核来达到染色目标，会产生诸多不利（即使成核亦是助剂的异相成核），且所施颜料粒子的染料分子结构单元起成核剂作用不十分理想，在后续超拉伸形成纳微纤相使其为晶核染座不适当，此专利设计方案思路与实施方法路线用于本产品UHMWPE纤维染色不太有效；②该技术为避免耐热氧化性较差的问题，尚需加入太多抗氧剂、自由基捕捉剂等，这对本纺丝系统带来负面影响，特别如受阻酚等类物质的加入对颜料因淬灭作用而影响产物光泽。③该方法为避免耐热氧化性差问题，同时不得不实施了降低温度及多道工序来延长原溶胀液制作时间、操作繁琐、增大了成本。