[發(fā)明專利]帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯連續(xù)溶解與紡絲裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910045198.4
• 申請日: 2009-01-12
• 公開（公告）號(hào): CN101775668A
• 公開（公告）日: 2010-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉華軒;邱中衡;王惠芬;陳新;楊靜;朱一平
• 申請（專利權(quán)）人: 上海博迪紡織新材料有限公司;常州市恒力機(jī)械有限公司
• 主分類號(hào): D01D13/00
• 分類號(hào): D01D13/00;D01D1/02
• 代理公司: 上海世貿(mào)專利代理有限責(zé)任公司 31128
• 代理人: 葉克英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種帶有梳狀解纏裝置的高強(qiáng)高模聚乙烯連續(xù)溶解與紡絲裝置。

背景技術(shù)

眾所周知，有機(jī)高分子的主鏈由于分子鍵的自由旋轉(zhuǎn)，高分子鏈構(gòu)象中，全是反式構(gòu)象和全是左旁式構(gòu)象出現(xiàn)的概率是很小的，絕大部分呈現(xiàn)的是反式與旁式之間的構(gòu)象，即既不是完全伸直也不是完全卷曲的構(gòu)象，而且由于熱運(yùn)動(dòng)，這些構(gòu)象也在不斷的振動(dòng)，改變中，使長鏈表現(xiàn)出或多或少的柔性，尤其是一些非剛性的高分子鏈，使其在總體上表現(xiàn)為無規(guī)線團(tuán)(見圖1)，這是大多數(shù)線型非極性高分子的穩(wěn)定構(gòu)象，而眾多的高分子鏈聚集在一起，必然會(huì)相互纏結(jié)在一起。

對于超高分子量的PE而言，首先考慮到PE分子的主鏈旋轉(zhuǎn)位能很低，因此柔性很大，是目前所有高聚物中柔性最大的一種，同時(shí)隨著分子量的不斷提高，單根分子鏈產(chǎn)生拓?fù)淅p結(jié)的數(shù)量迅速上升，因此，這樣的高聚物材料雖然有熔點(diǎn)，但在熔融溫度處，體系的粘度仍然很大，以至于無法進(jìn)行紡絲。

凝膠紡絲是目前制造高模高強(qiáng)聚乙烯纖維最為成功的方法。它是將超高分子量的柔性鏈高聚物材料以較低的濃度溶解在溶劑中，制成溶液的目的是利用溶劑在一定程度上拆散相互纏結(jié)在一起的超高分子量分子鏈，同時(shí)防止產(chǎn)生新的纏結(jié)，在增大體系流動(dòng)性，提供體系可紡性的同時(shí)，提供給凝膠絲合適的初生絲結(jié)構(gòu)，以利于超倍熱拉伸的展開，形成高結(jié)晶、高取向的高強(qiáng)纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)。而凝膠紡絲的關(guān)鍵在于：超高分子量聚乙烯溶液的溶解，大分子解纏狀態(tài)的保持。

溶解是將一定量的超高分子量聚乙烯原料以一定的濃度溶于相應(yīng)的溶劑，經(jīng)加熱和較長時(shí)間保溫過程而造成的熱分解，實(shí)現(xiàn)在一定程度上拆散相互纏結(jié)在一起的大分子鏈，同時(shí)防止產(chǎn)生新的纏結(jié)，并通過如攪拌等方式的均勻混合和剪切促進(jìn)這種行為，據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)和論著，溶解有以下特性：

a.通過對溶液彈性模量的測定，可以了解到半稀溶液比濃溶液中大分子纏結(jié)的確少很多。但半稀溶液的流變特性基本上與濃溶液相似，屬于典型的假塑性流體。

b.剪切速率對表現(xiàn)粘度的影響較大，也就是原液中的纏結(jié)點(diǎn)在較小剪切應(yīng)力作用下容易拆散，此特點(diǎn)要求必須減小剪切應(yīng)力。

c.柔性鏈大分子半稀溶液具有較高的彈性，施加較大剪切應(yīng)力時(shí)容易發(fā)生彈性湍流現(xiàn)象。

所以，要提高紡絲速度和制造良好的初生纖維，首先必須從良好的溶解開始，同時(shí)還要對相對分子質(zhì)量及其分布、溶劑性質(zhì)、紡絲溫度、噴絲孔道長徑比以及孔道進(jìn)口處前椎體角度等方面綜合加以考慮。

而溶解需要解決三大關(guān)鍵問題：

(1)經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)與熱氧化降解矛盾問題：由于溶液中的纏結(jié)點(diǎn)施加較小的剪切應(yīng)力更有利于拆散，而施加較大剪切應(yīng)力時(shí)又容易發(fā)生彈性湍流現(xiàn)象，所以應(yīng)該采用較小的剪切應(yīng)力。而超高分子量聚乙烯在高溫與氧氣接觸易發(fā)生熱氧化降解，導(dǎo)致分子量急劇下降及色澤變黃，溶解速度過慢，不但容易產(chǎn)生熱降解而且顯然無法進(jìn)行高效的的規(guī)模生產(chǎn)。因而，必須通過特殊設(shè)計(jì)的溶解設(shè)備以及溫度、時(shí)間等工藝條件的控制來抑制和盡量避免這種現(xiàn)象。

(2)脫泡問題：溶解過程中和溶解結(jié)束后，紡絲原液的粘度很高，但紡絲原液中存在大量的氣泡，氣泡的存在會(huì)使紡出的凝膠絲條成為氣泡絲，導(dǎo)致牽伸時(shí)絲條斷裂，無法得到性能合格的成品纖維，因此要對紡絲原液進(jìn)行脫泡。

(3)溶液輸送問題：溶解結(jié)束后，紡絲原液的粘度很高，因而輸送非常困難，方便的輸送方式也是必須的。

綜上所述：溶解和解纏是制造高品質(zhì)初生絲的關(guān)鍵，而這個(gè)過程一般要通過溶解設(shè)備的特殊設(shè)計(jì)以及溫度、時(shí)間等工藝條件的控制來抑制和盡量避免這種現(xiàn)象。

現(xiàn)有技術(shù)多采用釜式溶解、雙螺旋混合器溶解，高速鼓式混合器溶解，雙螺桿混合溶解等方式來完成溶解的過程，但他們都存在一些弊端和問題。概括來講釜式溶解、雙螺旋混合器溶解，高速鼓式混合器溶解的主要問題是效果不夠穩(wěn)定，難以連續(xù)進(jìn)行，脫泡困難，同時(shí)存在輸送困難；而使用雙螺桿來連續(xù)完成，則由于雙螺桿不可能制造的無限長，所以很難進(jìn)行規(guī)模的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。主要的現(xiàn)有技術(shù)剖析如下：

采用釜式溶解時(shí)發(fā)生俗稱爬桿現(xiàn)象，引起爬桿現(xiàn)象的原因在于溶解過程中溶液粘度急劇提高。唯一的解決途徑是降低溶液濃度和減低攪拌速度，前者顯然提高了生產(chǎn)成本，而后者延長溶解過程，造成溶液的不均勻性。