[发明专利]一种高模量聚乙烯纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高模量聚乙烯纤维的制备方法。

背景技术

高模量聚乙烯纤维具有质轻、高强、不吸水、极好的耐磨性、突出的抗冲击性、良好的耐低温蠕变性、卓越的耐化学腐蚀性等优良性能，是目前国际上三大高性能纤维材料之一。它在低温和常温领域有着极其广阔的应用前景，在国防和工农业生产中具有强大的市场开发潜力。

目前，高模量聚乙烯纤维的制备方法，主要为湿法纺丝法和干法纺丝法。

湿法纺丝法是采用低挥发性溶剂制备聚乙烯纺丝原液，纺丝原液自喷丝孔挤出后进入水浴凝固得到含低挥发性溶剂的湿态凝胶原丝；将该原丝用高挥发性和优良萃取性能的萃取剂经连续多级萃取，使低挥发性溶剂被置换出凝胶原丝，置换入凝胶原丝中的萃取剂经连续多级干燥装置充分气化逸出，得干态凝胶原丝，最后经高倍拉伸得高模量聚乙烯纤维。由于湿法工艺路线中需耗用大量的萃取剂，并经历多道萃取、干燥、混合溶剂的精馏分离回收过程，易造成环境污染；并且，在最终纤维产品中仍残留较多有害溶剂，使之抗蠕变性能变差，从而降低了纤维的质量。

干法纺丝法是采用高挥发性溶剂制备聚乙烯纺丝原液，纺丝原液自喷丝孔挤出后溶剂气化逸出，得到干态凝胶原丝，经高倍拉伸得高强高模聚乙烯纤维。干法纺丝技术路线由于溶剂直接回收，纺丝与溶剂回收系统密闭一体化，具有流程短、生产过程易于控制、生产速度高、生产成本低、从而生产效率较高；又由于产品中残留溶剂少，使其抗蠕变性能提高，质量均匀稳定性能好。干法纺丝技术路线生产高模量聚乙烯纤维在产品性能、价格、环境保护等方面较湿法路线均具有一定的优势。

日本专利特开平7-238416公开了一种在干法纺丝过程中积极挥发溶剂以制备高性能聚乙烯纤维的方法，具体工艺为：5～50％的聚乙烯和95～50％的挥发性溶剂混合溶解，加热挤出后，经过一个纺丝筒，采用在该纺丝筒内通入热气流的方式去除40％以上的挥发性溶剂，剩余的挥发性溶剂在高倍热拉伸过程中去除，从而得到高强高模聚乙烯纤维。该专利通过在纺丝过程中积极去除部分溶剂形成部分干燥状态的原丝，但由于挥发性溶剂在后续高倍热拉伸过程中仍然需要去除，因此在后续热拉伸装置上要进行防火防爆处理，以及需要庞大的溶剂回收装置，这就增加了设备投资和溶剂回收的难度，不利于规模化工业生产；更重要的是，由于热拉伸过程中有机溶剂的存在，纤维性能容易多变，从而影响最终纤维性能的均匀一致性。

中国专利01123737.6公开了一种高模量聚乙烯纤维的制造方法，包括在制备高强超高分子量聚乙烯纤维的纺丝工艺过程中，在喷丝板下方设置了一半封闭式温度控制区，并使原料分子量、纺丝原液浓度或纺丝熔体、喷丝孔的孔径、长径比和挤出速率相匹配，其特征在于通过调节纺丝原液或纺丝熔体挤出后的纵向拉伸流变，以使部分大分子缠结点解除，得到具有适宜超分子结构的原丝，经后道拉伸得到高模量聚乙烯纤维。所述半封闭式温度控制区的外形为与喷丝头外形相适应的“下端开口烟囱”或“上、下端开口烟囱”形状。该发明专利引入了“纺程解除部分大分子缠结点”的这一概念。由于液态细流从喷丝板中挤出后，有机溶剂具有良好的挥发性，加之周围的积极加热促进有机液体挥发，使液态细流部分凝固形成具有一定强度的半干态丝条。根据木桶短板原理，这时的拉伸变形只能在没有挥发的液态细流部分进行，而不是在接下来的部分挥发和凝固的丝条部分进行。当然由于喷丝板下方设置的半封闭式“烟囱状”温度控制区，使加热挥发的溶剂不易散发开来，在液体细流周围形成一个浓厚的挥发性溶剂包围层，从而使得这部分“液体细流-半干态丝条”也容易形成拉伸流变。但是由于溶剂在液态细流表面挥发不可能均匀一致，以及高分子黏度受浓度、温度等因素的影响，使得形成的半干态丝条可拉伸性能存在很大的不均匀性和差异，最终导致经多道拉伸形成的高模量聚乙烯纤维极其容易出现毛丝，从而使性能指标低下。更特别的是由于采用了“烟囱状”的温度控制装置，使加热挥发的溶剂不易散发开来，只能从烟囱的上下端散发，在“烟囱”的内部周围积聚着浓厚的挥发性溶剂，在液体细流周围形成一个包围层，使之不易快速干燥，从而降低了纺丝速度，影响了生产效率，增加了生产成本。