[发明专利]一种超高分子量聚乙烯纤维制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯纤维制备方法。

技术背景

超高分子量聚乙烯纤维是上世纪七十年代末研制成功、并于八十年代初进行产业化的一种高模量纤维，与碳纤维、芳纶纤维并称为三大高性能纤维。由于超高分子量聚乙烯纤维具有超轻、高比强度、高比模量、优越的能量吸收性、较好的耐磨、耐腐蚀、耐光等多种优异性能，已经在航天航空、国防军事、安全防护、海洋工程、体育器材、医用材料和民用网绳等领域得到广泛应用。

超高分子量聚乙烯纤维通常是通过冻胶纺丝工艺制备而成的。冻胶纺丝法即凝胶纺丝法，该方法最初是在1979年荷兰DSM公司申请的专利中进行描述，所用的冻胶纺丝法是将超高分子量的聚乙烯溶解在十氢化萘等溶剂中，制成浓度为2%~10%的纺丝液，从喷丝孔喷出，低温下凝固成含有大量溶剂的凝胶状丝条，被形象的称作凝胶纺丝，再对凝胶状丝条除去溶剂后进行超倍热拉伸，得到了高强高模纤维。现有技术中，冻胶纺丝法的主要步骤如下：将超高分子量聚乙烯加入到合适的溶剂中搅拌溶解制成溶液，由螺杆挤压机挤出，经喷丝孔成型，然后冷却、萃取、干燥，经超倍拉伸后获得成品纤维。常用的溶剂有：煤油、石蜡、石蜡油等。超高分子量聚乙烯因分子量巨大、粘度特高、分子链内和分子链间缠结严重极不利于均匀溶解，即使溶解，溶液在较低的浓度下粘度也很高。因此通常通过降低溶液浓度，提高加工温度或提高剪切速度使得超高分子量聚乙烯大分子适度解缠，提高纺丝原液浓度的均匀性，以获得纤度均匀的高品质纤维。但是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）树脂的分子链较长，易受剪切力作用发生断裂，且高温下容易发生降解，虽然加入了少量的抗氧剂，仍然不可避免地发生降解，造成质量稳定性差。

另一方面，冻胶纺丝法中通常选择至少5倍(重量)于超高分子量聚乙烯的矿物油、煤油、十氢萘等有机物作为溶剂，将超高分子量聚乙烯溶解于溶剂中形成半稀溶液，然后挤出制成生丝，再使用更大量的另一种有机溶剂将矿物油、煤油等萃取出。目前报道的纺丝溶液浓度仅为不足6%~8%的半稀溶液，因此冻胶纺丝法工艺过程中使用大量有机溶剂，使得制备过程复杂、设备多、投资成本增高，而且造成环境污染，甚至是严重污染事故，难以实现节能减排、低碳环保的目的。基于冻胶纺丝法生产周期长、成本高、对环境污染大等缺陷，人们试图在寻找别的高效生产法，如高压固态挤出法、增塑熔融纺丝法、表面结晶生长法、区域超拉伸或局部超拉伸法法等，但是均不能同时满足高生产效率和高纤维强度和模量的要求。专利CN1539033公布了一种热熔融法制备超高分子量聚乙烯纤维的方法，但该方法是选用了分子量小于300万的聚乙烯原料，挤出机内部熔融温度高达250℃以上，制备的UHMWPE纤维的拉伸强度仅大于15g/dtex，使用价值较低，且工业化十分困难。专利US8188026公布了一种热熔融法制备UHMWPE的方法，该方法是选用了重量比例在80%以上的分子量小于50万的聚乙烯原料和少量超高分子量聚乙烯混合加工制备UHMWPE纤维，但这不是严格意义上的纯粹超高分子量聚乙烯纤维。

为了解决现有超高分子量聚乙烯纤维冻胶纺丝法工艺过程中，使分子链超高取向而使用过高温过高剪切力，从而导致分子链断裂或严重降解、螺杆效率低的技术问题，以及冻胶纺丝工艺设备多、对环境污染大的缺陷，本专利提出了一种超高分子量聚乙烯纤维制备方法，即采用聚α-烯烃油或含有聚α-烯烃油的混合物作为溶剂。聚α-烯烃（Poly-α-Olefin，PAO）是由乙烯经齐聚聚合反应制成α烯烃、再进一步经聚合及氢化而制成的齐聚聚合物，其具有润滑及降低UHMWPE纺丝液粘度的作用，因此能在低纺丝温度、低剪切速度等低能耗条件下制得高品质纤维，或在超高分子量聚乙烯含量大于90%时制备纺丝纤维，从而无需萃取环节，缩短了设备流程，节约了成本，同时减小对环境的污染。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种超高分子量聚乙烯纤维制备方法。

超高分子量聚乙烯纤维制备方法的步骤如下：

1) 将聚á-烯烃油和分子量大于100万的超高分子量聚乙烯按重量比1:0.1～1:100在混合釜中加热混合，经90～150℃预溶胀、100～400℃溶解形成半稀溶液或非溶液混合物；

2) 将所述混合物经齿轮输送泵送入螺杆挤出机，采用单螺杆或双螺杆或三螺杆挤出机在100～400℃下挤压，得到挤出物料，加热源可选蒸汽、或电能、或热油等，螺杆转动形式为同向或异向转动，螺杆剪切速度为70～280rpm，螺杆长度和直径之比（L/D）为40～100；