[發(fā)明專利]超高分子量聚乙烯纖維的牽伸工藝方法及其設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910243315.8
• 申請(qǐng)日: 2009-12-17
• 公開（公告）號(hào): CN101748533A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚琳;尹曄東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京特斯頓新材料技術(shù)發(fā)展有限公司
• 主分類號(hào): D02J1/22
• 分類號(hào): D02J1/22;D02J13/00
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高分子材料制造領(lǐng)域，特別涉及一種超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)過程中的熱牽伸工藝方法和設(shè)備。?

背景技術(shù)

超高分子量聚乙烯纖維，又稱高強(qiáng)度高模量聚乙烯纖維、高取向度聚乙烯纖維、高性能聚乙烯纖維。超高分子量聚乙烯纖維具有高強(qiáng)度、高模量、高取向度，廣泛用于防彈防護(hù)用品、繩索、纜繩、魚網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)器材的制造。超高分子量聚乙烯纖維是現(xiàn)在比強(qiáng)度最高的商業(yè)化高性能纖維。?

1979年荷蘭DSM公司的Smith和Lemstra發(fā)明了凝膠紡絲法生產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維的工藝，并取得了英國(guó)專利GB2042414和GB2051667。1982年美國(guó)的AlliedSignal公司也提出了自己的生產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維的專利US4413110。DSM公司于1990年實(shí)現(xiàn)了凝膠紡絲法制超高分子量聚乙烯纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。現(xiàn)在世界上常見的凝膠紡絲法制造超高分子量聚乙烯纖維的主要工藝步驟有：將超高分子量聚乙烯溶于第一溶劑配制成聚乙烯溶液，該溶液由螺桿擠出機(jī)擠出，經(jīng)紡絲箱體噴出后，冷卻凝固成凝膠纖維，用揮發(fā)性的第二溶劑萃取出第一溶劑，干燥，超倍數(shù)牽伸，最終獲得成品纖維。現(xiàn)在世界上生產(chǎn)工藝主要有兩大類，一類以DSM和東洋紡為代表的干法紡絲法，另一類以Honeywell為代表的濕法紡絲法。兩者的主要區(qū)別是采用了不同的溶劑。DSM工藝，采用易揮發(fā)的十氫萘溶劑，采用干法紡絲，省去了其后的萃取工段；Honeywell采用石蠟油溶劑，需要后續(xù)的萃取工段，用第二溶劑將第一溶劑萃取出來。?

一般情況下，作為原料的聚乙烯粉末的特性粘數(shù)至少5dL/g，這樣制成的纖維強(qiáng)度至少為25cN/dtex，模量至少為700cN/dtex。原料聚乙烯的相對(duì)分子量必須大于100萬，一般為200萬～600萬，最好大于400萬。?

在化纖生產(chǎn)過程中，經(jīng)凝固紡絲成型后的纖維，統(tǒng)稱為初生纖維。由于初生纖維的結(jié)構(gòu)尚不穩(wěn)定，纖維的超分子結(jié)構(gòu)序態(tài)比較低，物理機(jī)械性能還不能滿足使用要求，必須通過一系列后加工工序，其中最重要的過程就是牽伸和熱定型。牽伸，又稱拉伸。拉伸過程的機(jī)理是促進(jìn)大分子沿纖維軸方向的取向。在拉伸過程中，纖維的大分子鏈或聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生舒展，并沿纖維軸向排列取向。取向的同時(shí)，通常伴隨著相態(tài)的變化，以及其它結(jié)構(gòu)的變化。各種初生纖維在拉伸過程中所發(fā)生的結(jié)構(gòu)和性能的變化并不相同，但是都有一個(gè)共同點(diǎn)，即纖維低序區(qū)的大分子沿纖維軸向的取向度大大提高，同時(shí)伴有密度、結(jié)晶度等其它結(jié)構(gòu)方面的變化。由于纖維內(nèi)大分子沿纖維軸取向，形成并增加了分子間力，纖維?承受外加張力的分子鏈數(shù)目增加，從而使纖維的斷裂強(qiáng)度顯著提高，延伸度下降，耐磨性和對(duì)各種不同類型形變的疲勞強(qiáng)度也明顯提高。?

初生纖維的拉伸可以一次完成，有的必須進(jìn)行分段拉伸。纖維的總拉伸倍數(shù)是各段拉伸倍數(shù)的乘積。采用凍膠紡絲法生產(chǎn)的高強(qiáng)高模纖維，一般拉伸倍數(shù)可以達(dá)到幾十甚至上百倍。?

根據(jù)拉伸時(shí)，纖維所處的介質(zhì)不同可以分為干拉伸、蒸汽浴拉伸和濕拉伸三種。干拉伸是指拉伸時(shí)初生纖維處于空氣包圍之中，纖維與空氣介質(zhì)及加熱器之間有熱量傳遞。根據(jù)溫度的不同，又可以分為室溫拉伸和熱拉伸。熱拉伸適用于玻璃化溫度較高，拉伸應(yīng)力較大或者較粗的纖維。牽伸時(shí)，溫度高于玻璃化溫度，不僅可以促進(jìn)分子鏈段運(yùn)動(dòng)，還可以降低牽伸應(yīng)力，有利于牽伸順利進(jìn)行。?

經(jīng)典牽伸過程的理論基礎(chǔ)是粘彈理論和聚合物粘彈體的松弛理論。牽伸過程為纖維的形變過程，形變是時(shí)間的函數(shù)。即牽伸需要一定的時(shí)間，牽伸速度過快將造成纖維斷裂。?

一般牽伸熱箱多采用電阻絲加熱的方式加熱氣體，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是常見的電加熱方式，但是電阻絲溫度高，如果纖維攜帶的殘留萃取劑氣化或者混入其他氣體，容易引起燃燒甚至爆炸，存在一定的安全隱患。另外電阻絲升高溫度和降低溫度需要一定時(shí)間，操作靈活性不高。而電感加熱具有快速、易于控制、安全和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。?