CN101476170A - 熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法及装置，制备方法：以超高分子量聚乙烯共混料或者是超高分子量聚乙烯的三元共混料为原料，将原料经螺杆挤压机熔融后喷成丝坯，丝坯冷却后预牵伸，然后进行一次加热后低倍拉伸，再进行二次加热后高倍拉伸，最后进行热处理得到高强度、高模量聚乙烯丝。本发明装置中，依次排布有螺杆挤压机、冷却机构、进行预牵伸的牵伸机、一次加热机构、低倍拉伸机、二次加热机构、高倍拉伸机、热处理机构、缠绕收卷机。本发明针对UHMWPE的熔融喷丝加工存在难度，无法成丝的问题，提供一种工艺简单、生产流程短、成本低、无污染的生产方法，并提供一种设备紧凑、易操作的生产装置。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法。该方法生产的聚乙烯丝可广泛应用于矿业、建材、绳索等诸多领域，如缆绳、船舶海洋工程缆绳、登山绳、鱼网、赛艇、帆船、弓弦、滑雪撬、矿山安全防护网、各种筛网、增强抗冲击容器等，还可做建筑行业增强材料，以及代替玻璃纤维等等。
背景技术
超高分子量聚乙烯(简称：UHMWPE)，是一种综合性能十分优异的热塑性工程塑料，它的生产过程和分子形状与高密度聚乙烯相似，都是采用Ziegler催化剂经配位聚合形成支化很少的线型分子链，其差别在于分子链的长短，即分子量的大小。普通高密度聚乙烯的分子量一般为几万至几十万，而在一定条件下合成的超高分子量聚乙烯的分子量超过150万，甚至达到1000万。正是由于超高分子量聚乙烯的分子链特别长，所以具有许多独特的物理机械及化学性质，尤其是耐磨性特别好，在已知塑料中名列第一。
极高的分子量赋予了它具有普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的独特性能：具有超强的耐磨性(是钢铁的8-9倍、尼龙的4倍、黄铜的27倍)；优异的耐冲击性(是聚碳酸酯的2倍、ABS的5倍、聚甲醛的15倍)，尤其难得的是在液氮-196℃中仍保持其优异的冲击强度；优良的耐药性和耐腐蚀性，可与聚四氟乙烯相媲美，在一定的温度和浓度范围内，耐各种腐蚀性液体和有机溶剂；摩擦系数低(其动摩擦系数为0.1-0.22)，是理想的自润滑材料；。极好的消音性和无毒性等优点，因而在世界范围内倍受人们的青睐，其应用范围十分广泛。
但是，由于UHMWPE的熔融黏度极高(达109Pa.S)，流动性能极差(其融体的熔融指数几乎为零)。所以，很难直接进行熔融挤出喷丝，由于UHMWPE的加工存在很大难度，所以，国内外目前还没有将UHMWPE加工成丝的工艺和设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对UHMWPE的熔融喷丝加工存在难度，无法成丝的问题，提供一种工艺简单、生产流程短、成本低、无污染的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法。
本发明进一步要解决的技术问题在于，提供一种设备紧凑、易操作的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，选用以有机硅作改性剂的超高分子量聚乙烯共混料或者是超高分子量聚乙烯、有机硅、液晶高分子形成的三元共混料为原料，将所述原料经螺杆挤压机熔融后喷成丝坯，丝坯冷却后预牵伸，然后进行一次加热后低倍拉伸，再进行二次加热后高倍拉伸，最后进行热处理后得到高强度、高模量聚乙烯丝。
熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，优选包括以下步骤：
A、将原料加入到螺杆挤压机，原料在料筒中受到温度和剪切力的作用被熔融，过滤掉杂质，再通过喷丝头喷丝成为丝坯；
B、丝坯经冷却机构骤冷，保持无定形状态或低结晶度；
C、冷却后的丝坯由牵伸机进行低速预牵伸，所述预牵伸的牵伸速度为高于螺杆挤压机的挤出速度；
D、预牵伸后，丝坯进入水箱进行一次水浴加热；
E、加热后，丝坯通过牵伸机进行低倍拉伸，丝在拉力作用下，产生细颈；
F、低倍拉伸后，再进行二次加热，加热温度高于100℃，丝的分子链段热运动增加，加快了松弛过程；
G、加热后，丝坯通过牵伸机进行高倍拉伸，分子链沿拉伸方向取向；
H、高倍拉伸后，经过高倍强力拉伸的丝收缩率较大，单丝的内应力也较大，因此，需经热处理机构高温热处理，以减少单丝的收缩率和内应力，最后才能形成高强度、高模量的丝。
为了使原料充分熔融塑化，所述的螺杆挤压机各段温度优选：一段220～240℃；二段260～300℃；三段280～300℃；机头280℃。
所述的丝坯冷却温度优选5～20℃，这样可使坯丝骤冷，保持无定型或可能低的结晶度，以利于提高拉伸程度及拉伸的均匀性。另外，在较低的温度下，结晶成核速度快，单位体积内所生成的晶核数目多，球晶较小，容易在拉伸中形成稳定的细颈，从而获得较好的物理机械性能。
所述一次水浴加热的温度优选80～95℃。
所述二次加热的温度优选105～130℃。
所述低倍拉伸的速率为：与预牵伸的线速比为1:10～20；
所述高倍拉伸的速率为：与预牵伸的线速比为1:40～60；
所述热处理的温度为热处理的温度为90～110℃。使单丝的结晶度尽可能地提高，而使强度提高。
一种熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的装置中，依次排布有螺杆挤压机、冷却机构、进行预牵伸的牵伸机、一次加热机构、低倍拉伸机、二次加热机构、高倍拉伸机、热处理装置、缠绕收卷机。
螺杆挤压机挤出口处设有喷丝头，螺杆挤压机进料口设有加料斗，所述冷却机构采用冷却水箱；所述一次加热机构采用加热水箱；所述二次加热机构采用热风式或导热油加热箱；所述热处理装置采用热辊式热处理装置。
本发明生产的聚乙烯丝所具有的优良特性，高强力、高模量的原因就是它的线性长链的分子结构。分子链有序排列，充分伸展的构象同时伴有密度、结晶度的变化。由于被拉伸后的丝内大分子沿轴取向，以及其他类型的分子间力，丝的承受外加张力的分子链数目增加了，从而使丝的断裂强度显著提高。同时，组成大分子的原子之间的共价健健能高，所以具有超于其它材料的抗紫外线性能。
本发明采用以有机硅作改性剂的超高分子量聚乙烯共混料或者是超高分子量聚乙烯、有机硅、液晶高分子形成的三元共混料为原料，用螺杆熔融挤压纺丝和两道拉伸法生产，生产流程短，工艺简单，成本低，无污染，符合国家环保政策。这种工艺生产的超高分子量聚乙烯合金丝具有以下特点：
1.强度高，丝拉伸断裂强度高；
2.抗冲击、抗撕裂强力高；
3.比重小、重量轻；
4.抗磨蚀；
5.耐紫外线照射；
6.耐腐蚀；
7.疏水性材料，能在水中(包括海水)保持稳定；
8.电绝缘性优良。
本发明设备紧凑、易操作，提供了一种能满足工业化生产、节约能源、保护环境的新品种丝的装置。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明工艺流程图；
图2是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明采用有机硅改性的超高分子量聚乙烯共混料或者超高分子量聚乙烯、有机硅、液晶高分子组成的三元共混料为原料。
超高分子量聚乙烯共混料，采用有机硅作为超高分子量聚乙烯的改性剂形成共混料，其组分包含超高分子量聚乙烯85～97％，有机硅3～15％，抗氧剂0.2～2％。
超高分子量聚乙烯三元共混料由以下重量百分比的组分共混而成：超高分子量聚乙烯88～94％、有机硅3～7％、液晶高分子2～5％、硬脂酸钙0.2～2％、抗氧化剂0.1～1％。
采用的抗氧剂为酚类抗氧剂，酚类抗氧剂具体选用抗氧剂1010或B215。
如图1所示为工艺流程图，熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，包括以下步骤：
A、将原料加入到螺杆挤压机，原料在料筒中受到温度和剪切力的作用被熔融，通过过滤器过滤掉杂质，再通过喷丝头喷丝成为丝坯；为了使原料充分熔融塑化，所述的螺杆挤压机各段温度为：一段220～240℃；二段260～300℃；三段280～300℃；机头280℃。
B、丝坯经水箱水浴骤冷，所述的丝坯冷却水箱的温度可选择5℃、10℃、15℃、20℃，这样的温度丝可保持无定形状态或低结晶度；
C、冷却后的丝坯由牵伸机进行低速预牵伸，所述预牵伸的牵伸速度为高于螺杆挤压机的挤出速度；
D、预牵伸后，丝坯进入水箱进行一次水浴加热；一次水浴水箱的温度可选择80℃、85℃、90℃、95℃。
E、加热后，丝坯通过牵伸机进行低倍拉伸，所述低倍拉伸的速率为：与预牵伸的线速比可选择1：10、1：15、1：20，丝在拉力作用下，产生细颈；
F、低倍拉伸后，再进行二次加热，所述二次加热的温度可选择105℃、110℃、120℃、130℃，加热使丝的分子链段热运动增加，加快了松弛过程；
G、加热后，丝坯通过牵伸机进行高倍拉伸，所述高倍拉伸的速率为：与预牵伸的线速比选择1：40、1：50、1：60，拉伸可使分子链沿拉伸方向取向；
H、高倍拉伸后，经过高倍强力拉伸的丝收缩率较大，单丝的内应力也较大，因此，需经热处理机构高温热处理，以减少单丝的收缩率和内应力，最后才能形成高强度、高模量的丝，所述热处理的温度为90～110℃，可用选择90℃、95℃、100℃、105℃，其中优选100℃。
如图2所示，一种熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的装置，依次排布有螺杆挤压机2、冷却水箱2、进行预牵伸的多辊牵伸机4、一次加热加热水箱6、低倍拉伸机7、热风式或导热油式加热箱8、高倍拉伸机9、热处理装置10、缠绕收卷机11。在螺杆挤压机2的进料口设置有加料斗1，所述低倍拉伸机7、高倍拉伸机9都为多辊拉伸机。所述热处理装置采用热辊式热处理装置。
Claims (10)
1、一种熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，选用以有机硅作改性剂的超高分子量聚乙烯共混料或者是超高分子量聚乙烯、有机硅、液晶高分子形成的三元共混料为原料，其特征在于，将所述原料经螺杆挤压机熔融后喷成丝坯，丝坯冷却后预牵伸，然后进行一次加热后低倍拉伸，再进行二次加热后高倍拉伸，最后进行热处理得到高强度、高模量聚乙烯丝。
2、根据权利要求1所述的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将原料加入到螺杆挤压机熔融后挤出，经过滤再通过喷丝头喷丝成为丝坯；
B、丝坯经冷却机构骤冷，保持无定形状态或低结晶度；
C、冷却后的丝坯由牵伸机进行低速预牵伸，所述预牵伸的牵伸速度为高于螺杆挤压机的挤出速度；
D、预牵伸后，丝坯进入水箱进行一次水浴加热；
E、加热后，丝坯通过牵伸机进行低倍拉伸；
F、低倍拉伸后，再进行二次加热，加热温度高于100℃；
G、加热后，丝坯通过牵伸机进行高倍拉伸；
H、高倍拉伸后，经热处理机构高温热处理形成成品。
3、根据权利要求1或2所述的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，其特征在于，所述的螺杆挤压机各段温度为：一段220～240℃；二段260～300℃；三段280～300℃；机头280℃。
4、根据权利要求1或2所述的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，其特征在于，所述的丝坯冷却温度为5～20℃。
5、根据权利要求2所述的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，其特征在于，所述一次水浴加热的温度为80～95℃；所述二次加热的温度为105～130℃。
6、根据权利要求1或2所述的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，其特征在于，所述低倍拉伸的速率为：与预牵伸的线速比为1:10～20。
7、根据权利要求2所述的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，其特征在于，所述高倍拉伸的速率为：与预牵伸的线速比为1:40～60。
8、根据权利要求1或2所述的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的方法，其特征在于，热处理的温度为90～110℃。
9、一种熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的装置，其特征在于，依次排布有螺杆挤压机、冷却机构、进行预牵伸的牵伸机、一次加热机构、低倍拉伸机、二次加热机构、高倍拉伸机、热处理装置、缠绕收卷机。
10、根据权利要求9所述的熔融拉丝生产高强度、高模量聚乙烯丝的装置，其特征在于，螺杆挤压机挤出口处设有喷丝头，螺杆挤压机进料口设有加料斗，所述冷却机构采用冷却水箱；所述一次加热机构采用加热水箱；所述二次加热机构采用热风式或导热油式加热箱；所述热处理装置为热辊式热处理装置。
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