高浓度聚乙烯纤维纺丝原液及其制备方法和应用与流程

本发明涉及聚乙烯纤维，具体涉及一种高浓度聚乙烯纤维纺丝原液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、超高分子量聚乙烯纤维(uhmwpe)也称高强高模聚乙烯纤维，与芳纶纤维、碳纤维并称为三大高性能纤维，是目前世界上比强度、比模量最高的纤维，具有轻质高强、高耐磨、耐化学腐蚀、导热性好、不易结垢等优点。早期由于生产技术及装备水平较低，纤维价格较高，主要用于军事防护等领域。近年来，随着技术装备水平提升，纤维成本降低，开始逐渐向民用市场渗透。相比于军用市场，民用市场纤维对强度、模量要求不高，降低纺丝成本是民用市场发展的关键。

2、在现有技术中，制备超高分子量聚乙烯纤维通常使用冻胶纺丝技术，是指使用相对分子量150万以上的超高分子量聚乙烯为原料，与合适的溶剂混合溶胀得悬浮液作为纺丝原液，纺丝原液经双螺杆挤出机剪切、匀混、解缠，再经喷丝组件挤出成型、冷却水冷却获得初生冻胶丝，初生冻胶丝经后续萃取、干燥和超倍拉伸制备超高分子量聚乙烯纤维。

3、超高分子量聚乙烯纤维的现有生产过程中，主要成本之一为纺丝溶剂及萃取剂回收过程中的能耗。纺丝原液浓度越高，溶剂使用量越少，萃取回收能耗越低，纤维产率越高，纤维生产成本越低。因此，提高纺丝原液浓度、降低纺丝能源单耗、将会大大降低uhmwpe纤维生产成本，进而扩展超高分子量聚乙烯纤维于民用市场的应用领域。

4、为提高纺丝原液浓度，中国发明专利cn1256471c在特制的带有整套升温搅拌装置的溶解釜中，将分子量(1.5-7)×106的超高分子量聚乙烯粉末与定量溶剂搅拌升温制成母液a(0.3-2％)；然后在普通的升温搅拌釜中加入定量a液，加入同等分子量超高聚乙烯粉末或冻胶粒搅拌升温制成於浆b液(25-60％)；将一定量的a液、b液和溶剂渗透性石蜡油加入升温搅拌釜，制成高浓度纺丝冻胶液(12-60％)。

5、中国发明专利cn106948022a使用混合溶剂溶解超高分子量聚乙烯，分子量(1-8)×106，成本较高的低沸点溶剂通过闪蒸的方式回收，高沸点溶剂成本较低，溶剂成本大幅降低；闪蒸过程中，保留了颗粒的多孔溶胀状态，超高分子量聚乙烯溶胀体更易被溶解，制成了更高浓度的溶液(15-50％)。

6、中国发明专利cn102605440a公开了一种高浓度超高分子量聚乙烯纺丝溶液的制备方法，具体为分子量(5-8)×106的超高分子量聚乙烯粉末和抗氧剂一起加入溶剂中，高温溶解，制备低浓度超高分子量聚乙烯溶液，低浓度溶液在高温下浓缩处理，得到均匀、完全溶解的10-20％的高浓度超高分子量聚乙烯溶液。

7、中国发明专利cn103541024a公开了高浓度超高分子量聚乙烯冻胶丝的制备方法，将分子量(1.5-8)×106的超高分子量聚乙烯粉末、抗氧剂及溶剂混合加热得混合溶液，经喂料釜进入单螺杆挤出机进行熔融-溶解-喷丝和冷却；采用压油机压出冻胶丝中的溶剂，得到固含量30-80％的超高分子量聚乙烯料块；料块粉碎成粒料，粒料送去双螺杆挤出机。

8、中国发明专利cn101525778a采用(2-5)×106超高分子量聚乙烯通过双螺杆挤出机实现一步法溶胀和溶解，固含量达10-15％，同时结合后牵伸系统萃取和干燥工艺效率的提高，大大降低前伸过程中纤维丝的溶剂含量、提高了牵伸速度和产品质量，得到高强度(35g/d以上)的超高分子量聚乙烯纤维。

9、上述方法虽然在解决纺丝原液均匀性的问题上取得一定效果，但对工艺和设备要求较高，操作过程复杂，且超高分子量聚乙烯分子量均较高，易造成纺丝原液溶解不均匀，纺丝过程中出现断丝、毛丝等问题，同时分子量不变的情况下单纯地提高纺丝原液浓度，双螺杆挤出机的工作压力较大，不利于设备连续、稳定的运行。

10、中国发明专利cn102505158a公开了一种超高分子量聚乙烯纤维的高浓度制备方法，采用分子量大于8×105的高分子量聚乙烯树脂粉末、抗氧剂和溶剂混合均匀得溶胀液；溶胀液冷却后经双螺杆挤出机挤出得高浓度类冻胶超高分子量聚乙烯纺丝液(20-40％)。上述方法采用一种超高分子量聚乙烯为原料，制备了稳定高浓度的纺丝液，且纺丝过程稳定、纤维无断点。但该方法对生产工艺的稳定性要求较高，且其实施案例中未详细明确各纺丝液采用的原料的分子量。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高浓度聚乙烯纤维纺丝原液及其制备方法和应用，制备的聚乙烯纤维纺丝原液具有高的固含量，使用该纺丝原液无需改造现有纺丝工艺，且对纺丝工艺要求较低，纺丝过程平稳，断丝、毛丝较少，制备的超高分子量聚乙烯纤维性能稳定，具有中等强度，生产成本低，适用于民用领域。

2、本发明的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种高浓度聚乙烯纤维纺丝原液的制备方法，将超高分子量聚乙烯溶液与特高分子量聚乙烯粉末混合，于70-100℃下保温溶胀，即得高浓度聚乙烯纤维纺丝原液。

4、优选地，所述超高分子量聚乙烯溶液的制备方法为：在溶剂中加入超高分子量聚乙烯粉末和抗氧剂，升温至130-190℃，搅拌得到超高分子量聚乙烯溶液。

5、优选地，所述溶剂、超高分子量聚乙烯粉末与抗氧剂的质量比为95-99:1-5:0.1-0.5；所述溶剂为链烷烃溶剂，链烷烃的碳原子个数为25-50个；所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的一种或两种。

6、优选地，制备出超高分子量聚乙烯溶液后，将其降温至60℃以下，加入特高分子量聚乙烯粉末和表面活性剂，升温至70-100℃保温溶胀。

7、优选地，所述超高分子量聚乙烯溶液、特高分子量聚乙烯粉末与表面活性剂的质量比为100:14-50:0.03-0.08；所述表面活性剂为碱式硬脂酸铝、硬脂酸或span。

8、优选地，所述超高分子量聚乙烯粉末的粘均分子量为特高分子量聚乙烯粉末的两倍以上。

9、优选地，所述超高分子量聚乙烯粉末的粘均分子量为150-800万，特高分子量聚乙烯粉末的粘均分子量为30-140万。

10、优选地，所述超高分子量聚乙烯粉末的粘均分子量为200-360万，特高分子量聚乙烯粉末的粘均分子量为60-120万。

11、优选地，所述高浓度聚乙烯纤维纺丝原液的浓度为15-35wt.％。

12、由于降温后超高分子量聚乙烯溶液会出现超高分子量聚乙烯结晶析出，加入特高分子量聚乙烯粉末后可再次溶胀，在螺杆中溶解后可以避免高浓度超高分子量聚乙烯溶解不完全导致的过滤器堵塞、纺丝不稳定等问题，保证纺丝原液具有较好的流动性和出丝连续性，避免在后续的纺丝过程中出现毛丝、断丝现象。同时超高分子量聚乙烯溶液的加入可更好地诱导纺丝原液取向出现伸直链晶，减少冻胶丝条的解取向和形成过量缠结，这样冻胶丝条在后续的牵伸过程中张力能够顺利传递，以达到超倍拉伸的目的，防止产生断丝，保证超高分子量聚乙烯纤维性能的稳定，增加超倍拉伸特性和纤维的强度，使得纤维强度远大于纯特高分子量聚乙烯纺丝的强度。

13、第二方面，本发明提供了通过上述制备方法制备得到的高浓度聚乙烯纤维纺丝原液。

14、第三方面，本发明提供了通过上述制备方法制备得到的高浓度聚乙烯纤维纺丝原液的应用，所述高浓度聚乙烯纤维纺丝原液用于制备聚乙烯纤维。

15、优选地，高浓度聚乙烯纤维纺丝原液用于制备聚乙烯纤维，包括以下步骤：

16、s1双螺杆挤出机挤出：将高浓度聚乙烯纤维纺丝原液送入双螺杆挤出机中，得到透明的冻胶液；

17、s2冻胶丝条制备：冻胶液经喷丝挤出进入凝固水槽中，丝条定型得到冻胶丝条；

18、s3萃取、干燥与高倍热拉伸：冻胶丝条经萃取、干燥后再进行热拉伸，得到聚乙烯纤维。

19、第四方面，本发明提供了一种聚乙烯溶解溶胀设备，由三个搅拌釜组成，内导热油电加热夹套搅拌釜为第一搅拌釜，还包括并行的第二搅拌釜和第三搅拌釜。

20、第一搅拌釜为溶解釜，超高分子量聚乙烯粉末在第一搅拌釜内加热搅拌溶解后，形成超高分子量聚乙烯溶液；随后流入第二搅拌釜或第三搅拌釜里，整个过程第一搅拌釜几乎可以保持高温状态，一直进行加入溶剂、固体物料、搅拌、溶解、保温、排料，再加入溶剂、固体物料、搅拌、溶解、保温、排料的循环状态；第二搅拌釜和第三搅拌釜是两个并行的溶胀釜，一个釜保温溶胀进料，一个釜配料预溶胀，两个釜保证供料稳定，溶胀釜采取冷热水循环即可。

21、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

22、本发明制备的聚乙烯纤维纺丝原液具有高的固含量，使用该纺丝原液无需改造现有纺丝工艺，且对纺丝工艺要求较低，纺丝过程平稳，断丝、毛丝较少，制备的超高分子量聚乙烯纤维性能稳定，具有中等强度，生产成本低，适用于民用领域。本发明制备的纺丝原液既避免了特高分子量聚乙烯纺丝强度太低的问题，也避免了超高分子量聚乙烯纺丝浓度难于提高的问题，可以高浓度、低成本的制造中等强度聚乙烯纤维。