[发明专利]带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置。

背景技术

众所周知，有机高分子的主链由于分子键的自由旋转，高分子链构象中，全是反式构象和全是左旁式构象出现的概率是很小的，绝大部分呈现的是反式与旁式之间的构象，即既不是完全伸直也不是完全卷曲的构象，而且由于热运动，这些构象也在不断的振动，改变中，使长链表现出或多或少的柔性，尤其是一些非刚性的高分子链，使其在总体上表现为无规线团(见图1)，这是大多数线型非极性高分子的稳定构象，而众多的高分子链聚集在一起，必然会相互缠结在一起。

对于超高分子量的PE而言，首先考虑到PE分子的主链旋转位能很低，因此柔性很大，是目前所有高聚物中柔性最大的一种，同时随着分子量的不断提高，单根分子链产生拓扑缠结的数量迅速上升，因此，这样的高聚物材料虽然有熔点，但在熔融温度处，体系的粘度仍然很大，以至于无法进行纺丝。

凝胶纺丝是目前制造高模高强聚乙烯纤维最为成功的方法。它是将超高分子量的柔性链高聚物材料以较低的浓度溶解在溶剂中，制成溶液的目的是利用溶剂在一定程度上拆散相互缠结在一起的超高分子量分子链，同时防止产生新的缠结，在增大体系流动性，提供体系可纺性的同时，提供给凝胶丝合适的初生丝结构，以利于超倍热拉伸的展开，形成高结晶、高取向的高强纤维结构形态。而凝胶纺丝的关键在于：超高分子量聚乙烯溶液的溶解，大分子解缠状态的保持。

溶解是将一定量的超高分子量聚乙烯原料以一定的浓度溶于相应的溶剂，经加热和较长时间保温过程而造成的热分解，实现在一定程度上拆散相互缠结在一起的大分子链，同时防止产生新的缠结，并通过如搅拌等方式的均匀混合和剪切促进这种行为，据有关实验和论著，溶解有以下特性：

a.通过对溶液弹性模量的测定，可以了解到半稀溶液比浓溶液中大分子缠结的确少很多。但半稀溶液的流变特性基本上与浓溶液相似，属于典型的假塑性流体。

b.剪切速率对表现粘度的影响较大，也就是原液中的缠结点在较小剪切应力作用下容易拆散，此特点要求必须减小剪切应力。

c.柔性链大分子半稀溶液具有较高的弹性，施加较大剪切应力时容易发生弹性湍流现象。

所以，要提高纺丝速度和制造良好的初生纤维，首先必须从良好的溶解开始，同时还要对相对分子质量及其分布、溶剂性质、纺丝温度、喷丝孔道长径比以及孔道进口处前椎体角度等方面综合加以考虑。

而溶解需要解决三大关键问题：

(1)经济高效生产与热氧化降解矛盾问题：由于溶液中的缠结点施加较小的剪切应力更有利于拆散，而施加较大剪切应力时又容易发生弹性湍流现象，所以应该采用较小的剪切应力。而超高分子量聚乙烯在高温与氧气接触易发生热氧化降解，导致分子量急剧下降及色泽变黄，溶解速度过慢，不但容易产生热降解而且显然无法进行高效的的规模生产。因而，必须通过特殊设计的溶解设备以及温度、时间等工艺条件的控制来抑制和尽量避免这种现象。

(2)脱泡问题：溶解过程中和溶解结束后，纺丝原液的粘度很高，但纺丝原液中存在大量的气泡，气泡的存在会使纺出的凝胶丝条成为气泡丝，导致牵伸时丝条断裂，无法得到性能合格的成品纤维，因此要对纺丝原液进行脱泡。

(3)溶液输送问题：溶解结束后，纺丝原液的粘度很高，因而输送非常困难，方便的输送方式也是必须的。

综上所述：溶解和解缠是制造高品质初生丝的关键，而这个过程一般要通过溶解设备的特殊设计以及温度、时间等工艺条件的控制来抑制和尽量避免这种现象。

现有技术多采用釜式溶解、双螺旋混合器溶解，高速鼓式混合器溶解，双螺杆混合溶解等方式来完成溶解的过程，但他们都存在一些弊端和问题。概括来讲釜式溶解、双螺旋混合器溶解，高速鼓式混合器溶解的主要问题是效果不够稳定，难以连续进行，脱泡困难，同时存在输送困难；而使用双螺杆来连续完成，则由于双螺杆不可能制造的无限长，所以很难进行规模的经济生产。主要的现有技术剖析如下：

采用釜式溶解时发生俗称爬杆现象，引起爬杆现象的原因在于溶解过程中溶液粘度急剧提高。唯一的解决途径是降低溶液浓度和减低搅拌速度，前者显然提高了生产成本，而后者延长溶解过程，造成溶液的不均匀性。