[发明专利]超高分子量聚乙烯纤维的牵伸工艺方法及其设备

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料制造领域，特别涉及一种超高分子量聚乙烯纤维生产过程中的热牵伸工艺方法和设备。 

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维，又称高强度高模量聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量、高取向度，广泛用于防弹防护用品、绳索、缆绳、鱼网、运动器材的制造。超高分子量聚乙烯纤维是现在比强度最高的商业化高性能纤维。 

1979年荷兰DSM公司的Smith和Lemstra发明了凝胶纺丝法生产超高分子量聚乙烯纤维的工艺，并取得了英国专利GB2042414和GB2051667。1982年美国的AlliedSignal公司也提出了自己的生产超高分子量聚乙烯纤维的专利US4413110。DSM公司于1990年实现了凝胶纺丝法制超高分子量聚乙烯纤维的工业化生产。现在世界上常见的凝胶纺丝法制造超高分子量聚乙烯纤维的主要工艺步骤有：将超高分子量聚乙烯溶于第一溶剂配制成聚乙烯溶液，该溶液由螺杆挤出机挤出，经纺丝箱体喷出后，冷却凝固成凝胶纤维，用挥发性的第二溶剂萃取出第一溶剂，干燥，超倍数牵伸，最终获得成品纤维。现在世界上生产工艺主要有两大类，一类以DSM和东洋纺为代表的干法纺丝法，另一类以Honeywell为代表的湿法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂。DSM工艺，采用易挥发的十氢萘溶剂，采用干法纺丝，省去了其后的萃取工段；Honeywell采用石蜡油溶剂，需要后续的萃取工段，用第二溶剂将第一溶剂萃取出来。 

一般情况下，作为原料的聚乙烯粉末的特性粘数至少5dL/g，这样制成的纤维强度至少为25cN/dtex，模量至少为700cN/dtex。原料聚乙烯的相对分子量必须大于100万，一般为200万～600万，最好大于400万。 

在化纤生产过程中，经凝固纺丝成型后的纤维，统称为初生纤维。由于初生纤维的结构尚不稳定，纤维的超分子结构序态比较低，物理机械性能还不能满足使用要求，必须通过一系列后加工工序，其中最重要的过程就是牵伸和热定型。牵伸，又称拉伸。拉伸过程的机理是促进大分子沿纤维轴方向的取向。在拉伸过程中，纤维的大分子链或聚集态结构发生舒展，并沿纤维轴向排列取向。取向的同时，通常伴随着相态的变化，以及其它结构的变化。各种初生纤维在拉伸过程中所发生的结构和性能的变化并不相同，但是都有一个共同点，即纤维低序区的大分子沿纤维轴向的取向度大大提高，同时伴有密度、结晶度等其它结构方面的变化。由于纤维内大分子沿纤维轴取向，形成并增加了分子间力，纤维 承受外加张力的分子链数目增加，从而使纤维的断裂强度显著提高，延伸度下降，耐磨性和对各种不同类型形变的疲劳强度也明显提高。 

初生纤维的拉伸可以一次完成，有的必须进行分段拉伸。纤维的总拉伸倍数是各段拉伸倍数的乘积。采用冻胶纺丝法生产的高强高模纤维，一般拉伸倍数可以达到几十甚至上百倍。 

根据拉伸时，纤维所处的介质不同可以分为干拉伸、蒸汽浴拉伸和湿拉伸三种。干拉伸是指拉伸时初生纤维处于空气包围之中，纤维与空气介质及加热器之间有热量传递。根据温度的不同，又可以分为室温拉伸和热拉伸。热拉伸适用于玻璃化温度较高，拉伸应力较大或者较粗的纤维。牵伸时，温度高于玻璃化温度，不仅可以促进分子链段运动，还可以降低牵伸应力，有利于牵伸顺利进行。 

经典牵伸过程的理论基础是粘弹理论和聚合物粘弹体的松弛理论。牵伸过程为纤维的形变过程，形变是时间的函数。即牵伸需要一定的时间，牵伸速度过快将造成纤维断裂。 

一般牵伸热箱多采用电阻丝加热的方式加热气体，这种方式结构简单，是常见的电加热方式，但是电阻丝温度高，如果纤维携带的残留萃取剂气化或者混入其他气体，容易引起燃烧甚至爆炸，存在一定的安全隐患。另外电阻丝升高温度和降低温度需要一定时间，操作灵活性不高。而电感加热具有快速、易于控制、安全和环保的优点。