專利名稱：熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模 量聚乙烯絲的方法。該方法生產(chǎn)的聚乙烯絲可廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、建材、繩索 等諸多領(lǐng)域，如纜繩、船舶海洋工程纜繩、登山繩、魚網(wǎng)、賽艇、帆船、弓 弦、滑雪撬、礦山安全防護網(wǎng)、各種篩網(wǎng)、增強抗沖擊容器等，還可做建筑 行業(yè)增強材料，以及代替玻璃纖維等等。
背景技術(shù)：
超高分子量聚乙烯(簡稱UHMWPE)，是一種綜合性能十分優(yōu)異的熱 塑性工程塑料，它的生產(chǎn)過程和分子形狀與高密度聚乙烯相似，都是采用 Ziegler催化劑經(jīng)配位聚合形成支化很少的線型分子鏈，其差別在于分子鏈的 長短，即分子量的大小。普通高密度聚乙烯的分子量一般為幾萬至幾十萬， 而在一定條件下合成的超高分子量聚乙烯的分子量超過150萬，甚至達到1000 萬。正是由于超高分子量聚乙烯的分子鏈特別長，所以具有許多獨特的物理 機械及化學(xué)性質(zhì)，尤其是耐磨性特別好，在己知塑料中名列第一。
極高的分子量賦予了它具有普通聚乙烯和其它工程塑料無可比擬的獨特 性能具有超強的耐磨性(是鋼鐵的8-9倍、尼龍的4倍、黃銅的27倍)；優(yōu) 異的耐沖擊性(是聚碳酸酯的2倍、ABS的5倍、聚甲醛的15倍)，尤其難 得的是在液氮-196i:中仍保持其優(yōu)異的沖擊強度；優(yōu)良的耐藥性和耐腐蝕性，可與聚四氟乙烯相媲美，在一定的溫度和濃度范圍內(nèi)，耐各種腐蝕性液體和
有機溶劑；摩擦系數(shù)低(其動摩擦系數(shù)為0.1-0.22)，是理想的自潤滑材料；。 極好的消音性和無毒性等優(yōu)點，因而在世界范圍內(nèi)倍受人們的青睞，其應(yīng)用 范圍十分廣泛。
但是，由于UHMWPE的熔融黏度極高(達109Pa.S)，流動性能極差(其 融體的熔融指數(shù)幾乎為零)。所以，很難直接進行熔融擠出噴絲，由于 UHMWPE的加工存在很大難度，所以，國內(nèi)外目前還沒有將UHMWPE加工 成絲的工藝和設(shè)備。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對UHMWPE的熔融噴絲加工存在難 度，無法成絲的問題，提供一種工藝簡單、生產(chǎn)流程短、成本低、無污染的 熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法。
本發(fā)明進一步要解決的技術(shù)問題在于，提供一種設(shè)備緊湊、易操作的熔 融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種熔融拉絲生產(chǎn)高強度、 高模量聚乙烯絲的方法，選用以有機硅作改性劑的超高分子量聚乙烯共混料 或者是超高分子量聚乙烯、有機硅、液晶高分子形成的三元共混料為原料， 將所述原料經(jīng)螺桿擠壓機熔融后噴成絲坯，絲坯冷卻后預(yù)牽伸，然后進行一 次加熱后低倍拉伸，再進行二次加熱后高倍拉伸，最后進行熱處理后得到高 強度、高模量聚乙烯絲。
熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法，優(yōu)選包括以下步驟
A、將原料加入到螺桿擠壓機，原料在料筒中受到溫度和剪切力的作用被熔融，過濾掉雜質(zhì)，再通過噴絲頭噴絲成為絲坯；
B、 絲坯經(jīng)冷卻機構(gòu)驟冷，保持無定形狀態(tài)或低結(jié)晶度；
C、 冷卻后的絲坯由牽伸機進行低速預(yù)牽伸，所述預(yù)牽伸的牽伸速度為高 于螺桿擠壓機的擠出速度；
D、 預(yù)牽伸后，絲坯進入水箱進行一次水浴加熱；
E、 加熱后，絲坯通過牽伸機進行低倍拉伸，絲在拉力作用下，產(chǎn)生細頸；
F、 低倍拉伸后，再進行二次加熱，加熱溫度高于100°C，絲的分子鏈段 熱運動增加，加快了松弛過程；
G、 加熱后，絲坯通過牽伸機進行高倍拉伸，分子鏈沿拉伸方向取向；
H、 高倍拉伸后，經(jīng)過高倍強力拉伸的絲收縮率較大，單絲的內(nèi)應(yīng)力也較 大，因此，需經(jīng)熱處理機構(gòu)高溫?zé)崽幚?，以減少單絲的收縮率和內(nèi)應(yīng)力，最 后才能形成高強度、高模量的絲。
為了使原料充分熔融塑化，所述的螺桿擠壓機各段溫度優(yōu)選 一段 220~240°C; 二段260~300°C;三段280-300°C;機頭280°C。
所述的絲坯冷卻溫度優(yōu)選5~20°C，這樣可使坯絲驟冷，保持無定型或可 能低的結(jié)晶度，以利于提高拉伸程度及拉伸的均勻性。另外，在較低的溫度 下，結(jié)晶成核速度快，單位體積內(nèi)所生成的晶核數(shù)目多，球晶較小，容易在 拉伸中形成穩(wěn)定的細頸，從而獲得較好的物理機械性能。
所述一次水浴加熱的溫度優(yōu)選80~95°C。
所述二次加熱的溫度優(yōu)選105~130°C。
所述低倍拉伸的速率為與預(yù)牽伸的線速比為1:10 20;
所述高倍拉伸的速率為與預(yù)牽伸的線速比為l:40 60;
所述熱處理的溫度為熱處理的溫度為90 11(TC。使單絲的結(jié)晶度盡可能地提高，而使強度提高。
一種熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的裝置中，依次排布有螺桿 擠壓機、冷卻機構(gòu)、進行預(yù)牽伸的牽伸機、 一次加熱機構(gòu)、低倍拉伸機、二 次加熱機構(gòu)、高倍拉伸機、熱處理裝置、纏繞收巻機。
螺桿擠壓機擠出口處設(shè)有噴絲頭，螺桿擠壓機進料口設(shè)有加料斗，所述
冷卻機構(gòu)采用冷卻水箱；所述一次加熱機構(gòu)采用加熱水箱；所述二次加熱機 構(gòu)采用熱風(fēng)式或?qū)嵊图訜嵯洌凰鰺崽幚硌b置采用熱輥式熱處理裝置。
本發(fā)明生產(chǎn)的聚乙烯絲所具有的優(yōu)良特性，高強力、高模量的原因就是 它的線性長鏈的分子結(jié)構(gòu)。分子鏈有序排列，充分伸展的構(gòu)象同時伴有密度、 結(jié)晶度的變化。由于被拉伸后的絲內(nèi)大分子沿軸取向，以及其他類型的分子 間力，絲的承受外加張力的分子鏈數(shù)目增加了，從而使絲的斷裂強度顯著提 高。同時，組成大分子的原子之間的共價健健能高，所以具有超于其它材料 的抗紫外線性能。
本發(fā)明采用以有機硅作改性劑的超高分子量聚乙烯共混料或者是超高分 子量聚乙烯、有機硅、液晶高分子形成的三元共混料為原料，用螺桿熔融擠 壓紡絲和兩道拉伸法生產(chǎn)，生產(chǎn)流程短，工藝簡單，成本低，無污染，符合 國家環(huán)保政策。這種工藝生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯合金絲具有以下特點
1. 強度高，絲拉伸斷裂強度高；
2. 抗沖擊、抗撕裂強力高；
3. 比重小、重量輕；
4. 抗磨蝕；
5. 耐紫外線照射；
6. 耐腐蝕；7. 疏水性材料，能在水中(包括海水)保持穩(wěn)定；
8. 電絕緣性優(yōu)良。
本發(fā)明設(shè)備緊湊、易操作，提供了一種能滿足工業(yè)化生產(chǎn)、節(jié)約能源、 保護環(huán)境的新品種絲的裝置。
下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中
圖l是本發(fā)明工藝流程圖2是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用有機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、有機硅、液晶高分子組成的三元共混料為原料。
超高分子量聚乙烯共混料，采用有機硅作為超高分子量聚乙烯的改性劑 形成共混料，其組分包含超高分子量聚乙烯85~97%，有機硅3~15%，抗氧 劑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組分共混而成超高 分子量聚乙烯88~94%、有機硅3~7%、液晶高分子2~5%、硬脂酸鈣0.2~2 %、抗氧化劑0.1~1%。
采用的抗氧劑為酚類抗氧劑，酚類抗氧劑具體選用抗氧劑1010或B215。 如圖1所示為工藝流程圖，熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方 法，包括以下步驟A、 將原料加入到螺桿擠壓機，原料在料筒中受到溫度和剪切力的作用被 熔融，通過過濾器過濾掉雜質(zhì)，再通過噴絲頭噴絲成為絲坯；為了使原料充 分熔融塑化，所述的螺桿擠壓機各段溫度為 一段220~240°C; 二段 260-300°C;三段280-300°C;機頭280°C。
B、 絲坯經(jīng)水箱水浴驟冷，所述的絲坯冷卻水箱的溫度可選擇5'C、 10°C、 15°C、 20°C，這樣的溫度絲可保持無定形狀態(tài)或低結(jié)晶度；
C、 冷卻后的絲坯由牽伸機進行低速預(yù)牽伸，所述預(yù)牽伸的牽伸速度為高 于螺桿擠壓機的擠出速度；
D、 預(yù)牽伸后，絲坯進入水箱進行一次水浴加熱； 一次水浴水箱的溫度可 選擇80。C、 85°C、 90°C、 95°C。
E、加熱后，絲坯通過牽伸機進行低倍拉伸，所述低倍拉伸的速率為 與預(yù)牽伸的線速比可選擇l: 10、 1: 15、 1: 20，絲在拉力作用下，產(chǎn)生細頸；
F、 低倍拉伸后，再進行二次加熱，所述二次加熱的溫度可選擇105°C、 110°C、 120°C、 130°C，加熱使絲的分子鏈段熱運動增加，加快了松弛過程；
G、 加熱后，絲坯通過牽伸機進行高倍拉伸，所述高倍拉伸的速率為與 預(yù)牽伸的線速比選擇l: 40、 1: 50、 1: 60，拉伸可使分子鏈沿拉伸方向取向；
H、 高倍拉伸后，經(jīng)過高倍強力拉伸的絲收縮率較大，單絲的內(nèi)應(yīng)力也較 大，因此，需經(jīng)熱處理機構(gòu)高溫?zé)崽幚?，以減少單絲的收縮率和內(nèi)應(yīng)力，最 后才能形成高強度、高模量的絲，所述熱處理的溫度為90 110'C，可用選擇 90°C、 95°C、 100°C、 105°C，其中優(yōu)選100。C。
如圖2所示， 一種熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的裝置，依次 排布有螺桿擠壓機2、冷卻水箱2、進行預(yù)牽伸的多輥牽伸機4、 一次加熱加 熱水箱6、低倍拉伸機7、熱風(fēng)式或?qū)嵊褪郊訜嵯?、高倍拉伸機9、熱處理裝置IO、纏繞收巻機ll。在螺桿擠壓機2的進料口設(shè)置有加料斗1，所述
低倍拉伸機7、高倍拉伸機9都為多輥拉伸機。所述熱處理裝置采用熱輥式熱 處理裝置。
權(quán)利要求
1、一種熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法，選用以有機硅作改性劑的超高分子量聚乙烯共混料或者是超高分子量聚乙烯、有機硅、液晶高分子形成的三元共混料為原料，其特征在于，將所述原料經(jīng)螺桿擠壓機熔融后噴成絲坯，絲坯冷卻后預(yù)牽伸，然后進行一次加熱后低倍拉伸，再進行二次加熱后高倍拉伸，最后進行熱處理得到高強度、高模量聚乙烯絲。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法，其特征在于，包括以下步驟A、 將原料加入到螺桿擠壓機熔融后擠出，經(jīng)過濾再通過噴絲頭噴絲成為 絲坯；B、 絲坯經(jīng)冷卻機構(gòu)驟冷，保持無定形狀態(tài)或低結(jié)晶度；C、 冷卻后的絲坯由牽伸機進行低速預(yù)牽伸，所述預(yù)牽伸的牽伸速度為高 于螺桿擠壓機的擠出速度；D、 預(yù)牽伸后，絲坯進入水箱進行一次水浴加熱；E、 加熱后，絲坯通過牽伸機進行低倍拉伸；F、 低倍拉伸后，再進行二次加熱，加熱溫度高于100'C;G、 加熱后，絲坯通過牽伸機進行高倍拉伸；H、 高倍拉伸后，經(jīng)熱處理機構(gòu)高溫?zé)崽幚硇纬沙善贰?br>
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的 方法，其特征在于，所述的螺桿擠壓機各段溫度為 一段220~240°C; 二段 260~300°C;三段280~300°C;機頭280°C。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法，其特征在于，所述的絲坯冷卻溫度為5 2(TC。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法， 其特征在于，所述一次水浴加熱的溫度為80~95°C;所述二次加熱的溫度為 105~130°C。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的 方法，其特征在于，所述低倍拉伸的速率為與預(yù)牽伸的線速比為1:10 20。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法， 其特征在于，所述高倍拉伸的速率為與預(yù)牽伸的線速比為1:40~60。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的 方法，其特征在于，熱處理的溫度為90 11(TC。
9、 一種熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的裝置，其特征在于，依 次排布有螺桿擠壓機、冷卻機構(gòu)、進行預(yù)牽伸的牽伸機、 一次加熱機構(gòu)、低 倍拉伸機、二次加熱機構(gòu)、高倍拉伸機、熱處理裝置、纏繞收巻機。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的裝 置，其特征在于，螺桿擠壓機擠出口處設(shè)有噴絲頭，螺桿擠壓機進料口設(shè)有 加料斗，所述冷卻機構(gòu)采用冷卻水箱；所述一次加熱機構(gòu)采用加熱水箱；所 述二次加熱機構(gòu)采用熱風(fēng)式或?qū)嵊褪郊訜嵯?；所述熱處理裝置為熱輥式熱 處理裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熔融拉絲生產(chǎn)高強度、高模量聚乙烯絲的方法及裝置，制備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為原料，將原料經(jīng)螺桿擠壓機熔融后噴成絲坯，絲坯冷卻后預(yù)牽伸，然后進行一次加熱后低倍拉伸，再進行二次加熱后高倍拉伸，最后進行熱處理得到高強度、高模量聚乙烯絲。本發(fā)明裝置中，依次排布有螺桿擠壓機、冷卻機構(gòu)、進行預(yù)牽伸的牽伸機、一次加熱機構(gòu)、低倍拉伸機、二次加熱機構(gòu)、高倍拉伸機、熱處理機構(gòu)、纏繞收卷機。本發(fā)明針對UHMWPE的熔融噴絲加工存在難度，無法成絲的問題，提供一種工藝簡單、生產(chǎn)流程短、成本低、無污染的生產(chǎn)方法，并提供一種設(shè)備緊湊、易操作的生產(chǎn)裝置。
文檔編號D01D5/12GK101476170SQ20081024173
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者閆鎮(zhèn)達 申請人:閆鎮(zhèn)達