本發(fā)明總體涉及纖維制造的方法，特別涉及一種制造超高分子量聚乙烯纖維的方法。

背景技術(shù)：

超高分子量聚乙烯(ultra-highmolecularweightpolyethylene，簡(jiǎn)稱uhmw-pe，分子式：—(—ch2-ch2—)—n—)是指粘均分子量大于150萬(wàn)的無(wú)支鏈線性聚乙烯。

超高分子量聚乙烯纖維是以超高分子量聚乙烯為原料制得的纖維。超高的分子量使得超高分子量聚乙烯纖維具有耐磨性強(qiáng)、潤(rùn)滑性好、強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗老化等優(yōu)異的性能。因此，超高分子量聚乙烯纖維在國(guó)防軍需裝備(例如，防彈衣、直升機(jī)、坦克和艦船的裝甲防護(hù)板等)、航空航天(例如，各種飛機(jī)的翼尖結(jié)構(gòu)、飛機(jī)著陸時(shí)使用的減速降落傘、飛機(jī)懸吊重物使用的繩索等)、民用(例如，海洋工程中船舶外表面上使用的抗沖擊、防銹蝕、防腐蝕包覆材料、各種海洋建筑構(gòu)件的防腐、防附著、耐磨材料、工業(yè)中使用的耐壓容器、傳送帶、過(guò)濾材料、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的牙托材料等)等方面有著廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)有的制造方法大多采用“凍膠紡絲-超倍拉伸”法來(lái)制造超高分子量聚乙烯纖維。按照制造過(guò)程中是否使用萃取劑，可分為“干法技術(shù)”和“濕法技術(shù)”。按照干法技術(shù)，使用高揮發(fā)性溶劑溶解超高分子量聚乙烯樹(shù)脂，經(jīng)噴絲組件擠出后，不經(jīng)過(guò)萃取環(huán)節(jié)直接形成初生絲。相比之下，按照濕法技術(shù)，使用低揮發(fā)性溶劑溶解超高分子量聚乙烯樹(shù)脂，經(jīng)噴絲組件擠出后，經(jīng)過(guò)萃取環(huán)節(jié)而形成初生絲。無(wú)論通過(guò)哪種技術(shù)形成初生絲，后續(xù)都經(jīng)過(guò)超倍拉伸工藝(包括預(yù)拉伸、分切、拉伸等步驟)制成超高分子量聚乙烯纖維。

遺憾的是，受制于以下因素，現(xiàn)有的制造方法難以連續(xù)地制造質(zhì)量穩(wěn)定的超高分子量聚乙烯纖維：

(1)由于熔融狀態(tài)下的超高分子量聚乙烯流動(dòng)性極差，難以連續(xù)地?cái)D出，直接妨礙了生產(chǎn)的連續(xù)性；

(2)由于在噴絲板內(nèi)熔融狀態(tài)的超高分子量聚乙烯流動(dòng)緩慢，易混入氣隙，混入的氣隙容易在噴絲板內(nèi)拉伸超高分子量聚乙烯，造成通過(guò)擠出而形成的超高分子量聚乙烯初生絲不均勻，并且容易在噴絲板面上斷裂，因此超高分子量聚乙烯初生絲的質(zhì)量得不到保證；

(3)按現(xiàn)有的制造方法，需要提高拉伸比來(lái)提高生產(chǎn)效率。不利的是，拉伸比的提高導(dǎo)致毛絲的產(chǎn)生量明顯增多，從而降低了超高分子量聚乙烯纖維的質(zhì)量。

因此，需要一種既保證高效的連續(xù)生產(chǎn)效率又保證穩(wěn)定的成品質(zhì)量的制造超高分子量聚乙烯纖維的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提供一種高效率地生產(chǎn)高質(zhì)量的超高分子量聚乙烯纖維的方法，提供本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種制造超高分子量聚乙烯纖維的方法。所述方法可包括以下步驟：原料攪拌：攪拌超高分子量聚乙烯粉料與溶劑，以形成樹(shù)脂；熔融共混：加熱所述樹(shù)脂，并使所述樹(shù)脂中的超高分子量聚乙烯粉料與所述溶劑在熔融狀態(tài)下共混，從而形成熔體；熔融擠出：在保持所述熔體處于熔融狀態(tài)的同時(shí)擠出所述熔體；預(yù)壓成型：將所述熔體預(yù)壓成基膜；壓延成膜：將所述基膜壓延成薄膜；萃取干燥：萃取所述溶劑以形成干燥的薄膜；預(yù)拉伸：預(yù)拉伸所述干燥的薄膜以形成經(jīng)預(yù)拉伸的薄膜；分切：分切所述經(jīng)預(yù)拉伸的薄膜以形成經(jīng)分切的薄膜；拉伸：拉伸所述經(jīng)分切的薄膜以形成經(jīng)拉伸的薄膜；定型：加熱所述經(jīng)拉伸的薄膜以使所述經(jīng)拉伸的薄膜定型，從而制成所述超高分子量聚乙烯纖維。

在一些實(shí)施例中，所述溶劑可包括稀釋劑和解纏結(jié)劑。在另一些實(shí)施例中，所述溶劑還可包括超支化聚合物和分散劑。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述解纏結(jié)劑可 以是石墨烯，并且所述分散劑可以是聚乙烯蠟。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述聚超高分子量聚乙烯粉料在所述樹(shù)脂中的質(zhì)量百分比可以大于80％。

在一些實(shí)施例中，所述預(yù)拉伸步驟可以包括：先橫向拉伸所述干燥的薄膜，再縱向拉伸所述干燥的薄膜。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述橫向拉伸的操作溫度可為50-100℃，拉伸倍率可為2-6倍，并且所述縱向拉伸的操作溫度可為60-110℃，拉伸倍率可為4-10倍。

在一些實(shí)施例中，所述拉伸步驟可包括前道拉伸和后道拉伸，其中，所述后道拉伸中的操作溫度和拉伸線速度可以分別大于所述前道拉伸中的操作溫度和拉伸線速度。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述萃取干燥的操作溫度、所述分切的操作溫度、所述前道拉伸的操作溫度、所述后道拉伸的操作溫度以及所述定型的操作溫度可以依次遞增。

在一些實(shí)施例中，所述壓延成膜的壓延倍率可為8-10倍。

相比現(xiàn)有的制造超高分子量聚乙烯纖維的方法，本方法改善了生產(chǎn)的連續(xù)性，提高了生產(chǎn)效率，并且保證了成品質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

以下結(jié)合附圖并通過(guò)實(shí)施例來(lái)闡述本發(fā)明的各方面。

圖1示出根據(jù)實(shí)施例的制造超高分子量聚乙烯纖維的方法100。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)描述制造超高分子量聚乙烯纖維的方法。應(yīng)當(dāng)理解，各實(shí)施例以說(shuō)明方式而非限制方式來(lái)闡釋本發(fā)明。

圖1示出根據(jù)實(shí)施例的制造超高分子量聚乙烯纖維的方法100。方法100由以下步驟組成：原料攪拌101、熔融共混102、熔融擠出103、預(yù)壓成型104、壓延成膜105、萃取干燥106、預(yù)拉伸107、分切108、拉伸109以及定型110。

方法100從原料攪拌101開(kāi)始。在原料攪拌101步驟中，將超高分子量聚乙烯粉料與溶劑饋送到容器中，通過(guò)容器中的攪拌機(jī)構(gòu)來(lái)攪拌超高分子量聚乙烯粉料和溶劑，使得這兩者均勻地混合，以形成超高分子量聚乙 烯樹(shù)脂。在一些實(shí)施例中，勻速且緩慢地?cái)嚢璩叻肿恿烤垡蚁┓哿虾腿軇┮允惯@兩個(gè)更好地混合。在優(yōu)選實(shí)施例中，還對(duì)容器內(nèi)部加熱，以進(jìn)一步促進(jìn)兩者的混合。

超高分子量聚乙烯粉料是本領(lǐng)域中公知的材料，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易從市場(chǎng)上直接獲得，或容易制備獲得。

超高分子量聚乙烯分子因分子鏈纏繞、交疊、貫穿及由鏈段間的動(dòng)態(tài)相互作用形成物理交聯(lián)點(diǎn)，這種現(xiàn)象被稱為“鏈纏結(jié)”(“chainentanglement”)。鏈纏結(jié)的存在導(dǎo)致超高分子量聚乙烯樹(shù)脂的粘性很大且流動(dòng)性很差。針對(duì)該問(wèn)題，本發(fā)明中使用的溶劑不僅用于溶解超高分子量聚乙烯粉料，還用于改善超高分子量聚乙烯樹(shù)脂的流動(dòng)性。

在至少一些實(shí)施例中，溶劑可包括稀釋劑、解纏結(jié)劑、超支化聚合物(hbp)和分散劑。

解纏結(jié)劑在稀釋劑的稀釋作用下與超高分子量聚乙烯粉料混合。經(jīng)稀釋的解纏結(jié)劑能夠在超高分子量聚乙烯的分子鏈之間形成有效阻隔，這樣有效降低了超高分子量聚乙烯的纏結(jié)密度，降低了超高分子量聚乙烯分子鏈之間的粘滯阻力，從而改善超高分子量聚乙烯樹(shù)脂的流動(dòng)性。

超支化聚合物(hbp)是由支化基元組成的高度支化但結(jié)構(gòu)不規(guī)整的聚合物。

分散劑是一種兩親性化學(xué)品，可以增加油性和水性組分在同一體系中的相容性。

使用超支化聚合物和分散劑可改善解纏結(jié)劑在超高分子量聚乙烯樹(shù)脂中的分散效果，進(jìn)一步促進(jìn)解纏結(jié)劑的解纏結(jié)效果，從而進(jìn)一步增加超高分子量聚乙烯樹(shù)脂的流動(dòng)性。

在一些實(shí)施例中，解纏結(jié)劑可以是石墨烯，而分散劑可以是聚乙烯蠟。在另一些實(shí)施例中，超高分子量聚乙烯粉料在超高分子量聚乙烯樹(shù)脂中的質(zhì)量百分比可以大于80％。

隨后，方法100進(jìn)行到熔融共混102。在熔融共混102步驟中，超高分子量聚乙烯樹(shù)脂被饋送入共混機(jī)構(gòu)，該共混機(jī)構(gòu)具有加熱機(jī)制，使超高分子量聚乙烯樹(shù)脂中的超高分子量聚乙烯粉料和溶劑進(jìn)一步在熔融狀態(tài)下 共混，從而形成熔體。在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“共混”是指使幾種材料均勻地混合以提高材料性能的一種方法。在實(shí)施例中，通過(guò)熔融共混改善了超高分子量聚合物樹(shù)脂的流動(dòng)性。

在一些實(shí)施例中，可使用哈克轉(zhuǎn)矩流變儀來(lái)實(shí)施熔融共混102步驟。哈克轉(zhuǎn)矩流變儀可具有密煉機(jī)構(gòu)，用以使超高分子量聚乙烯粉料和溶劑密煉混合。作為示例，密煉機(jī)構(gòu)可以設(shè)有特定形狀且相對(duì)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。在密煉混合的過(guò)程中，在可調(diào)的溫度、壓力以及密閉的狀態(tài)下對(duì)原料進(jìn)行密煉混合。與常規(guī)的熔融共混相比，在密煉混合過(guò)程中，超高分子量聚乙烯樹(shù)脂還會(huì)受到轉(zhuǎn)子和密煉機(jī)構(gòu)內(nèi)壁的擠壓和剪切作用，由此進(jìn)一步改善了超高分子量聚乙烯樹(shù)脂的流動(dòng)性。

隨后，方法進(jìn)行到熔融擠出103。在熔融擠出103步驟中，熔融共混102步驟中形成的熔體進(jìn)入噴絲擠出組件。噴絲擠出組件具有加熱功能，熔體在噴絲擠出組件中保持為熔融狀態(tài)，并且沿著噴絲擠出組件流向擠出口，在擠出口處，熔體被連續(xù)地?cái)D出。在一些實(shí)施例中，噴絲擠出組件可以是單螺桿擠出機(jī)。

由于溶劑改善了超高分子量聚乙烯樹(shù)脂的流動(dòng)性，并且在一些實(shí)施例中，通過(guò)使用密煉機(jī)構(gòu)進(jìn)行的密煉混合進(jìn)一步改善了溶劑在超高分子量聚乙烯樹(shù)脂中的分散效果，因此增加了超高分子量聚乙烯樹(shù)脂的流動(dòng)性。由此，可保證熔融擠出103步驟中熔體的擠出是連續(xù)的。

方法100繼續(xù)進(jìn)行到預(yù)壓成型104。在預(yù)壓成型104步驟中，在熔融擠出103步驟中被擠出的熔體通過(guò)成型機(jī)構(gòu)(例如，成型模具)而形成基膜。

隨后，方法100進(jìn)行到壓延成膜105。在壓延成膜105步驟中，基膜進(jìn)入壓延機(jī)構(gòu)。壓延機(jī)構(gòu)壓延基膜以形成薄膜。在一些實(shí)施例中，壓延機(jī)構(gòu)可以是壓延輥。在另一些實(shí)施例中，壓延倍率可以是8-10倍。

隨后，方法100進(jìn)行到萃取干燥106。在萃取干燥106步驟中，從薄膜中萃取溶劑，從而形成干燥的薄膜。

隨后，方法100進(jìn)行到預(yù)拉伸107。在預(yù)拉伸107步驟中，拉伸機(jī)構(gòu)對(duì)干燥的薄膜進(jìn)行預(yù)拉伸，以形成經(jīng)預(yù)拉伸的薄膜。

在一些實(shí)施例中，拉伸機(jī)構(gòu)先后在橫向和縱向兩個(gè)方向上拉伸干燥的薄膜。在本申請(qǐng)中，“縱向”是指與傳送薄膜的方向(即，對(duì)薄膜進(jìn)行繞卷的方向)一致的方向，而“橫向”是指與縱向垂直的方向。在一些實(shí)施例中，拉伸機(jī)構(gòu)可以是牽引機(jī)，并且該牽引機(jī)可具有橫向拉伸裝置和縱向拉伸裝置來(lái)執(zhí)行這兩種拉伸。

在優(yōu)選實(shí)施例中，在橫向拉伸時(shí)，操作溫度設(shè)置可以是50-100℃，拉伸倍率可以是2-6倍；在縱向拉伸時(shí)，操作溫度可以是60-110℃，拉伸倍率可以是4-10倍。在該優(yōu)選實(shí)施例中，經(jīng)預(yù)拉伸的薄膜的厚度為0.1-0.12mm，抗拉強(qiáng)度大于350mpa，彈性模量大于1200mpa。

隨后，方法100進(jìn)行到分切108。在分切108步驟中，經(jīng)預(yù)拉伸的薄膜進(jìn)入分切機(jī)構(gòu)，分切機(jī)構(gòu)對(duì)經(jīng)預(yù)拉伸的薄膜進(jìn)行分切，以形成經(jīng)分切的薄膜。在一個(gè)實(shí)施例中，分切的線速度可以是1.2-2米/分鐘。

隨后，方法100進(jìn)行到拉伸109。在拉伸109步驟中，經(jīng)分切的薄膜進(jìn)入拉伸機(jī)構(gòu)。拉伸機(jī)構(gòu)拉伸經(jīng)分切的薄膜，以形成經(jīng)拉伸的薄膜。

在一些實(shí)施例中，拉伸109可包括前道拉伸和后道拉伸。前道拉伸和后道拉伸都縱向地拉伸薄膜。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，后道拉伸中設(shè)定的操作溫度和拉伸線速度大于前道拉伸中設(shè)定的操作溫度和拉伸線速度。在優(yōu)選實(shí)施例中，前道拉伸的操作溫度可以是80-100℃，拉伸的線速度可以是4-6米/分鐘。后道拉伸的操作溫度可以是100-120℃，拉伸的線速度可以是6-12米/分鐘。

最后，方法100進(jìn)行到定型110。在定型110步驟中，經(jīng)拉伸的薄膜進(jìn)入定型機(jī)構(gòu)。定型機(jī)構(gòu)對(duì)經(jīng)拉伸的薄膜進(jìn)行熱定型，以消除拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而形成最終的超高分子量聚乙烯纖維。

通常，還使用收卷機(jī)構(gòu)來(lái)收卷最終形成的超高分子量聚乙烯纖維，以便于儲(chǔ)存。

為了保證預(yù)壓成型104步驟-定型109步驟中超高分子量聚乙烯纖維的質(zhì)量，優(yōu)選地，可將萃取干燥106、分切108、拉伸109(包括前道拉伸和后道拉伸)和熱定型110步驟中的操作溫度設(shè)置為依次遞增。

更優(yōu)選地，如拉伸109步驟中所述，進(jìn)一步將后道拉伸過(guò)程中的操作 溫度設(shè)置為大于前拉伸過(guò)程中的操作溫度，并且將后拉伸過(guò)程中的拉伸線速度設(shè)置為大于前拉伸過(guò)程中的拉伸線速度。通過(guò)操作溫度的遞增(特別是拉伸109步驟中操作溫度)以及拉伸109步驟中拉伸線速度的遞增，有效地減少了拉伸過(guò)程在超高分子量聚乙烯纖維中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而提高最終的超高分子量聚乙烯纖維的質(zhì)量。

已提供了用于制造超高分子量聚乙烯纖維的方法，相比現(xiàn)有的制造方法，本發(fā)明的方法具有以下有益的效果：

第一，溶劑中的各種改性成分有效改善了制造過(guò)程中超高分子量聚乙烯熔體的流動(dòng)性，克服了現(xiàn)有的制造方法中超高分子量聚乙烯熔體連續(xù)擠出困難的技術(shù)問(wèn)題。一方面，所添加的稀釋劑和解纏結(jié)劑可在超高分子量聚乙烯的分子鏈之間形成有效阻隔，有效降低了超高分子量熔體的纏結(jié)密度，降低了超高分子量聚乙烯熔體的分子鏈之間的粘滯阻力，從而改善了超高分子量聚乙烯熔體的流動(dòng)性。另一方面，所添加的超支化聚合物和分散劑改善了解纏結(jié)劑在超高分子量聚乙烯熔體中的分散效果，提升了解纏結(jié)劑的解纏結(jié)效果，進(jìn)一步改善了超高分子量聚乙烯熔體的流動(dòng)性。

第二，通過(guò)使用密煉機(jī)構(gòu)執(zhí)行帶有密煉混合的熔融共混，相比現(xiàn)有的制造方法增加了對(duì)超高分子量聚乙烯樹(shù)脂的擠壓和剪切作用，增強(qiáng)了超高分子量聚乙烯粉料和溶劑的混合效果，進(jìn)一步改善了超高分子量聚乙烯熔體的流動(dòng)性。

第三，在超倍拉伸過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置遞增的操作溫度和遞增的拉伸線速度，有效地減少了因拉伸而在超高分子量聚乙烯纖維中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而保證了最終制得的超高分子量聚乙烯纖維的質(zhì)量。