超高分子量聚乙烯细旦纤维的制备方法及制备装置

技术领域

本发明涉及化纤纺织技术领域，具体涉及超高分子量聚乙烯细旦纤维的制备方法及制备装置。

背景技术

国内高性能聚乙烯纤维产业近十来年发展速度较快，整体来看，国内高性能聚乙烯纤维产业发展近两年来呈现高速增长的态势，其干湿法的生产技术都已国产化，目前产能已达到了5万吨左右，主要应用在国防、军工以及民用缆绳上。

从细旦纤维市场以及生产情况来看，细旦丝的需求量在逐年增加，纤维的细旦规格化越来越多，产品的附加值相对较高，因此国内一些企业通过牺牲装置产能的方式进行细旦纤维的生产，追求产品的高附加值。生产的细旦纤维性能指标达到国外的中端水平，同国外相比还存在一些差距。

目前国内采用一步法生产高性能聚乙烯纤维存在一系列技术难题，如速度高、操作困难，纤维性能指标低、设备自动化程度低等。现行的均是采用两步法进行纤维的加工生产工作，即初生纤维的预牵伸工序和后纺的牵伸卷绕工序。但两步法由于后加工阶段的进丝速度低，又严重影响了纤维的产能，特别是在细旦纤维的产能方面。国内纤维生产厂家解决细旦纤维产能的主要方式是通过增加后纺牵伸线、提高进丝速度以及调整前纺喷丝板的孔数等方式，大都存在投资高、产能提升有限、难以从根本上解决技术困难等情况。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的投资高、占地面积大、产能提升有限等问题，提供超高分子量聚乙烯细旦纤维的制备方法及制备装置，本发明减少装置的占地面积，提高纤维的进丝速度，从而提升细旦纤维的生产能力。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种超高分子量聚乙烯细旦纤维的制备方法，所述制备方法包括：对干燥完成后的初生纤维连续进行多级热牵伸，得到超高分子量聚乙烯细旦纤维；其中，在所述多级热牵伸的过程中，前一级热牵伸的停留时间t

本发明第二方面提供一种超高分子量聚乙烯细旦纤维的制备装置，所述装置包括：依次连接的丝架、多级热牵伸设备、导丝机和卷绕机；其中，所述多级热牵伸设备包括至少两个热牵伸机构，每个热牵伸机构包括两个牵伸机和位于两个牵伸机中间的多个依次连接的牵伸热箱，相邻两个热牵伸机构之间的两个牵伸机之间设置有密封箱，且相邻的热牵伸机构之间并排设置。

通过上述技术方案，本发明所取得的有益技术效果如下：

1)本发明提高纤维的进丝速度，从而提升细旦纤维的生产能力。

本发明通过增加纤维在热箱内部的停留时间，提升纤维的进丝速度，确保与常规的后纺牵伸具有相同的加热时间，保留原牵伸工艺的特征，在确保成品纤维性能指标的情况下提高细旦纤维的产能。

2)本发明通过将现行后纺的装置的平铺布置改变成立体布置，利用有限的空间，减少装置的占地面积；同时增加后纺牵伸热箱的数量，由于牵伸热箱数量的增加，纤维在热箱中的滞留时间会大大增加，通过调整进丝的速率，保持原牵伸工艺中纤维在热箱的滞留时间，优化热箱内的温度参数，实现纤维产能的快速提升。

附图说明

图1是本发明一个实施方式提供的一种超高分子量聚乙烯细旦纤维的制备装置的布置示意图；

图2是本发明一个实施方式提供的一种牵伸热箱的结构示意图；

图3是本发明对比例提供的多级热牵伸设备的布置示意图。

附图标记说明

丝架1牵伸机2 牵伸热箱3

导丝机4卷绕机5 密封箱6

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供一种超高分子量聚乙烯细旦纤维的制备方法，所述制备方法包括：对干燥完成后的初生纤维连续进行多级热牵伸，得到超高分子量聚乙烯细旦纤维；其中，在所述多级热牵伸的过程中，前一级热牵伸的停留时间t

本发明中的制备方法主要是指采用干法纺丝。

具体的，所述制备方法包括以下步骤：首先将超高分子量聚乙烯粉料、纺丝溶剂和表面活性剂按照一定比例混合均匀，经过挤出成型，得到初生纤维，然后将得到的初生纤维进行萃取、干燥或者直接干燥，再经多级热牵伸，得到超高分子量聚乙烯细旦纤维。

本发明通过增加纤维在热箱内部的停留时间，提升纤维的进丝速度，确保与常规的后纺牵伸具有相同的加热时间，保留原牵伸工艺的特征，在确保成品纤维性能指标的情况下提高细旦纤维的产能。现有技术中的进丝速度不能太快，否则会出现大量毛丝断头的情况。

在一些实施方式中，所述多级热牵伸的过程包括第一级热牵伸、第二级热牵伸和第三级热牵伸；其中，所述第一级热牵伸的停留时间为40-50s，所述第二级热牵伸的停留时间为12-20s，所述第三级热牵伸的停留时间为5-10s。

在本发明中，第一级热牵伸、第二级热牵伸和第三级热牵伸分别为拉伸段、稳定段和热定型段，采用该停留时间，在拉伸段，可以使纤维在拉伸过程中，停留在热箱内的时间更长，能够得到大幅度的拉伸，提升纤维的高强高模特性；在稳定段，可以有更长时间在热箱内实现内部结构的有效转化，稳定其纤维性能指标；在热定型段，需要快速过热，降低回缠。

在一些实施方式中，在所述多级热牵伸的过程中，后一级热牵伸的牵伸倍率B

在一些实施方式中，在所述多级热牵伸的过程中，控制热牵伸的温度为142-160℃，优选为145-150℃。

在一些优选实施方式中，后一级热牵伸的温度T

在本发明中，热牵伸的温度逐渐增高符合牵伸工艺的需求，最后一级热定型，需要更高温度，以稳定纤维内部的晶态结构。

在一些实施方式中，在每级热牵伸的过程中，加热介质选自空气、N

在一些优选实施方式中，所述加热介质的温度为125℃-160℃，优选为140-150℃，流动速度为0.1-1m/s，优选为0.5-0.6m/s，且所述加热介质的运动方向与所述初生纤维的运动方向相同。

在本发明中，通过控制加热介质的温度、流动速度和运动方向，可以减少丝的抖动以及受干扰的程度，确保纤维在热箱内部的受热均匀，降低发生断头的情况。

在一些实施方式中，所述超高分子量聚乙烯细旦纤维的粘均分子量为100-300万，优选为150-250万，旦数不大于100D，优选为10-50D。

在本发明中，纤维原料的粘均分子量为200-700万，成品纤维的粘均分子量为100-300万，大部分情况为200万上下。

本发明对于细旦纤维的产能提升有明显效果，对于粗旦纤维提升产能效果较低，主要是因为粗旦纤维丝束粗，在牵伸热箱中难以受热均匀，拉伸过程中易发生断头情况。

本发明另一方面提供一种提高超高分子量聚乙烯细旦纤维产能的装置，如图1所示，所述装置包括：依次连接的丝架1、第一牵伸机2、多级热牵伸设备3、导丝机4和卷绕机5；其中，所述多级热牵伸设备3包括至少两个热牵伸机构，每个热牵伸机构包括两个牵伸机和位于两个牵伸机中间的多个依次连接的牵伸热箱，相邻两个热牵伸机构之间的两个牵伸机之间设置有密封箱，且相邻的热牵伸机构之间并排设置；例如，如图1所示，所述多级热牵伸设备3包括3个热牵伸机构31、32和33，热牵伸机构31包括牵伸机311和牵伸机312以及位于两个牵伸机中间的3个牵伸热箱313、314和315；同样的，热牵伸机构32包括牵伸机321和牵伸机322以及位于两个牵伸机中间的3个牵伸热箱323、324和325；热牵伸机构33包括牵伸机331和牵伸机332以及位于两个牵伸机中间的3个牵伸热箱333、334和335；牵伸机312和牵伸机321之间设置有密封箱341，牵伸机322和牵伸机331之间设置有密封箱342，且依次串联的热牵伸机构31、32和33并排设置，减少装置的占地面积。

在一些实施方式中，在每个热牵伸机构中，牵伸机与相邻的牵伸热箱之间，以及多个牵伸热箱之间均通过透明环氧树脂连接，并通过螺栓固定。例如，如图1所示，牵伸机311与牵伸热箱313之间，牵伸热箱313与牵伸热箱314之间，牵伸热箱314与牵伸热箱315之间，以及牵伸热箱315与牵伸机312之间均通过透明环氧树脂35连接，并通过螺栓36固定。

在本发明中，采用透明环氧树脂连接，螺栓固定，确保纤维热拉伸的稳定性，减少热量损失。

在一些优选实施方式中，所述多级热牵伸设备包括2-5个热牵伸机构。例如，如图1所示，所述多级热牵伸设备3包括3个热牵伸机构31、32和33。

在本发明中，2-5个热牵伸机构分别实现二级牵伸，三级牵伸，四级牵伸，或者五级牵伸。需要注意的是，该热牵伸机构包含后续的牵伸热定型工序。

在一些优选实施方式中，在每个热牵伸机构中，牵伸热箱的数量为3-5个。如图1所示，热牵伸机构31包括3个牵伸热箱，分别为牵伸热箱313、牵伸热箱314和牵伸热箱315。

在一些实施方式中，每个牵伸热箱内设置有一个主加热部件和四个辅助加热部件，所述四个辅助加热部件均匀分布在所述主加热机构的周围。

在本发明中，主加热优选设置在回风总管上，辅助加热系统优选设置在热箱送风口到热箱之间的位置，从位置层面上来说，在左侧两角和中间两角的位置。主加热部件提供快速加热功能，实现热箱温度的快速提升，四个辅助加热部件为热箱内部提供恒温，确保热箱内部纵向、横向温度均匀。

在一些实施方式中，每个牵伸热箱内还设置有两个变频风机，两个变频风机的进出口均为蜂窝状结构，两个变频风机的风向为同向设置，且与进丝方向一致。

在本发明中，热箱内部设置两台变频风机，如图2所示，分别包括A点B点和C点，分别设置在热箱的左中(AB中点附近)和中中位置(B点附近)，变频风机的风量可调，风机进出口设置成蜂窝状结构，确保风量的匀速进出。内部风向为同向接力的形式，与进丝方向一致，确保内部风场以及风温的稳定性。

在一些实施方式中，每个牵伸热箱包括下层气体加热区域和上层纤维加热区域；所述下层气体加热区域和上层纤维加热区域分别设置有下层环状气体气道和上层环状气体气道。

在一些优选实施方式中，所述下层环状气体气道与牵伸热箱前端(A点附近)和中端(B点附近)的通道连接；所述上层环状气体气道与中端(B点附近)和后端((C点附近))的通道连接。

在本发明中，两层气道分别由牵伸热箱前端和中端的通道连接、中端和后端的通道连接，下层加热气体由前端进入上层气道，止步与热箱中间，热箱中间的下层加热气体由中端进入上层气道，止步于热箱后端。

进一步地，所述牵伸热箱的侧面下部设置气体入口；所述牵伸热箱采用热敏电控方式进行惰性气体的加热。

在一些实施方式中，所述牵伸机为多辊牵伸机，优选为五辊牵伸机、六辊牵伸机或七辊牵伸机。

在一些优选实施方式中，所述牵伸机上设置有机玻璃保护罩。

在本发明中，有机玻璃保护罩的设计可以减少内部气体的溢出造成的温度损失。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，各点丝束参数通过手持测速仪进行测量；聚乙烯原料为上海化工研究院有限公司牌号为联乐MIV的市售品。

实施例1-6与对比例1-6

实施例1-6的操作步骤与对比例1-6的操作步骤相似，均采用如下操作步骤，不同之处在于：实施例1-6采用图1和图2所示的装置，对比例1-6采用如图3所示的装置，实施例1-6与对比例1-6的参数控制不同，见表1。

操作步骤：通过吸丝枪，将初生纤维原丝通过退绕架、分丝器送入到七辊牵伸机上，在第一辊上采用气动压辊压住初生纤维原丝，防止原丝脱落，初生纤维原丝随后依次被送入第一级热牵伸设备、第二级热牵伸设备和第三级热牵伸设备，经过超倍拉伸后形成纤维成品，纤维成品临时缠绕在导丝辊中，而后逐个引入到卷绕机上进行卷绕，收卷后的成品纤维经检测合格后，送入塑封机塑封形成成品纤维。

表1参数控制

从以上表1可见，实施例1与对比例1相比，产能提升的提升率为66.7％；实施例2与对比例2相比，产能提升的提升率为58.3％；实施例3与对比例3相比，产能提升的提升率为41.7％；实施例4与对比例4相比，产能提升的提升率为33％；实施例5与对比例5相比，产能提升的提升率为25％；实施例6与对比例6相比，产能提升的提升率为25％。可见，分别与对比例1-6相比，采用实施例1-6的技术及装置，可以有效提高细旦纤维的进丝速度，从而提升细旦纤维的产能。

由上可见，本发明对于细旦纤维的产能提升有明显效果，对于粗旦纤维提升产能效果较低，主要是因为粗旦纤维丝束粗，在牵伸热箱中难以受热均匀，拉伸过程中易发生断头情况。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。