[发明专利]超高分子量聚乙烯纤维的制备方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料制备技术领域，具体地说是采用熔体纺丝法制备超高分子量聚乙烯纤维的新方法，以及该方法用的设备。 

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维是三大高技术纤维之一，是已经商业化生产的比强度最高的纤维，主要应用于安全防护、航空、兵器、体育等领域。超高分子量聚乙烯(Ultra-high Molecular Polyethylene，简称UHMWPE)是指粘均分子量大于150万的线性聚乙烯。其链结构为典型的线性结构，支链极少，远远低于普通聚乙烯，支化点小于1/1000个，大分子链超长，达到数万纳米，因此是制备柔性链高强度纤维的理想材料。但是由于UHMWPE的熔体是弹性体，因此不能像PE、PP、PET等具有良好流动性的材料那样进行熔体纺丝，只能采用一种特殊的溶液纺丝法-凝胶纺丝法来制备UHMWPE纤维。上世纪70年代Pennings等提出了UHMWPE凝胶纺丝的概念，1979年荷兰DSM公司的Smith和Lemstra发明了凝胶纺丝法制备UHMWPE纤维的工艺，取得了英国专利GB2042414和GB2051667。1982年美国的AlliedSinal公司(现为Honeywell公司)也获得了UHMWPE纤维的专利US4413110。DSM公司于1990年实现了UHMWPE纤维的工业化生产。国内自上世纪80年代开始UHMWPE纤维的研究，中国纺织大学(东华大学)进行了长期全面的研究，实现了UHMWPE纤维的工业化生产，并与江苏神泰科技公司联合研究制造了凝胶纺丝的成套设备，已由山东爱地、北京斯特顿、湖南中泰、宁波大成等公司实现了规模化生产。中国纺织科学院也进行了相关的工作，并获得了专利ZL9701010.2。凝胶纺丝法制备UHMWPE纤维的主要工艺步骤为：将UHMWPE粉末溶于溶剂配制成UHMWPE溶液，由螺杆挤出机挤出，经纺丝箱体的喷丝板喷出，冷却凝固成初生纤维，初生纤维经溶剂萃取或溶剂挥发回收，然后进行超倍热拉伸和热定型，最后得到成品纤维。凝胶纺丝法最大的缺点是大量使用易燃易爆甚至是有毒的溶剂，生产工艺复杂，生产成本很高。 

发明内容

本发明的任务之一在于是针对现有技术中采取凝胶纺丝法制备超高分子量聚乙烯纤维存在的上述技术缺陷，提供一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法；该制备方法主要采用熔体纺丝法制备超高分子量聚乙烯纤维，具有工艺流程简单、生产成本较低和环保安全的特点。 

本发明的任务之二在于提供上述方法用的一种设备。 

为实现上述发明任务一，其技术解决方案是： 

一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤： 

a选取超高分子量聚乙烯与改性剂共混后经熔融制成颗粒状或粉末状的改性超高分子量聚乙烯原料；其中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为150万以上，改性剂包括但不限于有机化蒙脱土、和/或高分子液晶、和/或有机硅，改性超高分子量聚乙烯原料中超高分子量聚乙烯的含量大于90％； 

b将上述改性超高分子量聚乙烯原料用挤出机熔融挤出形成熔体，经过熔体泵将熔体送往纺丝模具形成熔体条，熔体的流动速率为0.01～0.2g/10min，熔体条在冷却甬道中经过冷却和预拉伸，得到初生丝； 

c将上述初生丝在热拉伸箱中经多级拉伸后，或经多级拉伸与后序处理后得到超高分子量聚乙烯纤维。 

上述步骤a中，超高分子量聚乙烯的粘均分子量优选为250～500万，改性超高分子量聚乙烯原料中超高分子量聚乙烯的含量优选为95～98％；上述步骤b中，挤出机的工作温度为100～260℃，熔体泵的工作温度为180～260℃，输出压力为10～50MPa，冷却甬道的冷却温度为10～35℃，预拉伸的倍率为2～20倍；上述步骤c中，多级拉伸的级数为1～6级，拉伸温度60～140℃，总拉伸倍率6～30倍。 

为实现上述发明任务二，其技术解决方案是： 

上述超高分子量聚乙烯纤维的制备方法用的设备，包括按下述位次排布的挤出机、熔体泵、纺丝模具、冷却甬道、三辊牵引机、一级热拉伸箱、第一七辊牵引机、二级热拉伸箱、第二七辊牵引机、水洗槽、干燥箱及卷绕机。