超高分子量聚乙烯干法紡絲中固相與溶劑分離的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高分子材料制備技術領域，尤其是涉及一種超高分子量聚乙烯干法紡絲中固相與溶劑分離的方法。
【背景技術】
[0002]超高分子量聚乙烯(UHMffPE)纖維，是繼碳纖維和芳綸之后出現(xiàn)的第三代高性能纖維，它以相對分子量在100萬以上的聚乙烯為原料，經(jīng)凍膠紡絲一超倍拉伸的方法制備而成。是目前已工業(yè)化纖維材料中比強度和防彈性能最高的纖維，在同等重量的情況下，其強度相當于優(yōu)質(zhì)鋼絲的15倍。UHMffPE纖維還具有優(yōu)異的耐化學性和耐侯性、高能量吸收性、低導電性、可透過X-射線及一定的防水性等特性。出色的性能，使其在軍事、航天航海工程和高性能、輕質(zhì)復合材料及運動器械等領域有著廣闊的應用前景。如用作防護材料的防彈衣、防彈頭盔、雷達防護罩、導彈罩、防彈裝甲、防刺服及防切割手套等；用作高強繩索的大型船舶纜繩、降落傘繩、布雷繩、登山繩等；制作復合材料應用于坦克內(nèi)附壁緩沖材料、雷達天線罩、大型儲藏罐等；用作運動器械的弓弦、帆布、雪橇等，作為光纜補強材料、釣魚線及漁網(wǎng)等。
[0003]UHMffPE纖維制備技術分兩種不同的生產(chǎn)工藝路線:一種是使用高揮發(fā)性溶劑(十氫萘等)干法凍膠紡絲工藝路線(簡稱干法紡絲)；另一種是使用低揮發(fā)性溶劑(礦物油、煤油、白油等)的濕法凍膠紡絲工藝路線(簡稱濕法紡絲)。其中，干法紡絲過程首先在溶脹釜內(nèi)將UHMffPE進行適度的溶脹，并形成紡絲原液，紡絲原液在雙螺桿擠出機內(nèi)完成溶解過程后經(jīng)計量栗等一系列工序，自噴絲板擠出后用惰性氣體側(cè)吹風使溶劑氣化逸出，出側(cè)吹風箱體的半干態(tài)凝膠原絲，再經(jīng)過甬道干燥以及初步拉伸等工序，形成纖維原絲，將原絲進行連續(xù)高倍拉伸及熱定型得到高性能UHMffPE纖維。在紡絲工藝中對惰性氣體帶走的溶劑須經(jīng)壓縮、冷凝液化等過程進行回收處理。干法紡絲技術難度大，但與濕法紡絲相比，具有工藝流程短，紡絲速度快，產(chǎn)品質(zhì)量好，溶劑可直接回收，經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)越性。
[0004]國際市場上UHMffPE纖維的產(chǎn)品主要有美國Honeywell公司的Spectra系列，荷蘭DSM公司以及日本Toyobo和荷蘭DSM建立聯(lián)合公司的Dyneema系列，日本Mitsui公司的Tekmi I on系列。其中美國、日本的公司纖維產(chǎn)品主要國內(nèi)自用，而荷蘭DSM公司年產(chǎn)量大約7000噸，占到全球產(chǎn)量的35%，產(chǎn)品主要用于出口。該公司采用干法紡絲制備UHMffPE纖維，無論是纖維產(chǎn)量還是性能方面，均有明顯的優(yōu)勢。我國是世界上第四個具有自主知識產(chǎn)權生產(chǎn)UHMffPE纖維的國家，于1985年已開始UHMffPE纖維紡絲的基礎研究工作，2000年實現(xiàn)濕法紡絲制備UHMffPE纖維的產(chǎn)業(yè)化；2011年又實現(xiàn)干法紡絲的規(guī)?；a(chǎn)。公司主要有中紡投資、寧波大成和湖南中泰等，最近幾年纖維生產(chǎn)發(fā)展迅速，新型發(fā)展起來的企業(yè)有:北京威亞、山東愛地(DSM公司收購)、江蘇儀征化纖等近20家企業(yè)。其中儀征化纖采用干法紡絲技術進行UHMffPE纖維生產(chǎn)，其余企業(yè)均采用濕法紡絲技術。
[0005]在已有的國內(nèi)外干法紡絲技術的專利中，還未曾發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明完全相同的干法紡絲過程中固相與溶劑的分離方法:其中，日本專利特開平7-238416公開了一種在干法紡絲過程中積極揮發(fā)溶劑以制備高性能聚乙烯纖維的方法:質(zhì)量分數(shù)為5?50%的超高分子量聚乙烯與質(zhì)量分數(shù)為50?95%的揮發(fā)性溶劑混合溶解，加熱擠出后進入紡絲筒，紡絲筒內(nèi)通入熱氣流使40%以上的溶劑揮發(fā)，剩余溶劑在熱拉伸的過程中去除；
[0006]中國專利CN1590608A公開了一種高強聚乙稀纖維的制造方法:以碳氫化合物為溶劑，質(zhì)量分數(shù)為4?20%的超高分子量聚乙烯溶液從噴絲板擠出后經(jīng)過長度為10?40cm的第一控溫區(qū)的縱向拉伸流變解除部分大分子纏結(jié)點，然后進入長度為I?6m溫度逐漸降低的第二控溫區(qū)使溶劑揮發(fā)并冷卻，得到殘留溶劑低于5%的原絲；中國專利CN101137777A公開了帶有揮發(fā)性紡絲溶劑回收和循環(huán)的超高分子量聚(烯烴)的溶液紡絲:以揮發(fā)性溶劑為紡絲溶劑，質(zhì)量分數(shù)為I?15%的超高分子量聚乙烯溶液擠出噴絲板后，進入通有惰性氣體流的紡絲甬道冷卻至溶液膠凝溫度以下，再通過具有一個或多個溫度區(qū)的爐子，爐子內(nèi)有一個或多個高溫循環(huán)氣流，絲條被干燥、牽伸、部分取向；中國專利CN104032402A公開了一種制備超高分子量聚乙烯纖維的方法及纖維:以十氫萘為溶劑的超高分子量聚乙烯溶液從噴絲板擠出后進入溫度為20?220°C的混合氣體的氣相段，然后進入形成為800?5000mm的液相段。以上專利均未涉及本發(fā)明專利的核心關鍵部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種可快速分離流出噴絲頭紡絲溶液中的易揮發(fā)溶劑，并實現(xiàn)對揮發(fā)過程控制的超高分子量聚乙烯干法紡絲中固相與溶劑分離的方法。
[0008]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0009]超高分子量聚乙烯干法紡絲中固相與溶劑分離的方法，含有紡絲溶液的超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)噴絲頭擠出后，通過氣體從側(cè)面吹掃流出噴絲頭的紡絲溶液，使其中的溶劑氣化，達到超高分子量聚乙烯樹脂與溶劑的兩相分離，分離后纖維原絲中溶劑殘留量的質(zhì)量濃度小于1wt %，最低可小于1%。
[0010]流出噴絲頭的紡絲溶液與側(cè)吹風氣體之間的角度范圍為>0°且〈360°，接觸時間不大于50min，側(cè)吹風溫度為-10?190°C，側(cè)吹風的流量不大于300Nm3。
[0011]側(cè)吹風的氣體與流出噴絲頭的紡絲溶液呈90°角接觸，側(cè)吹風溫度為90?150。。。
[0012]側(cè)面吹掃時采用具有進絲口、出絲口、進風口、出風口的密封箱式側(cè)吹風裝置，側(cè)吹風裝置不設可視窗口或者一面或多面設置可視窗口；
[0013]所述的出絲口及進絲口為喇叭形或圓形口，進絲口對接噴絲頭與側(cè)吹風裝置中間的一段緩冷區(qū)或直接對接噴絲頭，出絲口對接后續(xù)的加熱甬道或干法紡絲工藝中的其它原絲固化成型、溶劑脫除或卷繞裝置；
[0014]所述的進風口為多層網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)分配吹入氣體，使氣體在箱式側(cè)吹風裝置中實現(xiàn)均勻氣流或具有一定流量梯度的氣流，出風口對接通向廢氣收集或溶劑回收處理的管道。
[0015]側(cè)吹風的氣體為氮氣、二氧化碳、空氣中的一種或多種。
[0016]超高分子量聚乙烯的黏均分子量為100萬?1000萬；紡絲溶液的質(zhì)量百分比濃度為2%?40%。
[0017]超高分子量聚乙稀的黏均分子量為250萬?650萬；紡絲溶液的質(zhì)量百分比濃度為5%?20%。
[0018]所述的紡絲溶液中還添加有輔料，該輔料包括但不局限于粉狀高密度聚乙烯、粉狀低密度聚乙烯、親水劑、致孔劑、活化劑、抗氧劑等材料中的一種或多種。
[0019]紡絲溶液采用在一定溫度下溶脹、溶解超高分子量聚乙烯樹脂的溶劑。
[0020]所述的溶劑包括但不局限于十氫萘、四氫萘、二甲苯、二氯苯或石油醚中的一種或多種。
[0021]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明中側(cè)吹風與流出噴絲頭的紡絲溶液充分接觸，可快速分離紡絲溶液中的易揮發(fā)溶劑，而且可通過紡絲溶液與側(cè)吹風的接觸時間、側(cè)吹風溫度與流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對分離效果的控制。
【附圖說明】
[0022]圖1為側(cè)吹風工藝流程圖。
[0023]圖中，1-超高分子量聚乙烯纖維、2-進絲口、3-進風口、4-網(wǎng)格分配板、5-出絲口、6-出風口、7-側(cè)吹風箱體。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0025]超高分子量聚乙烯干法紡絲中固相與溶劑分離的方法，其工藝如圖1所示，含有紡絲溶液的超高分子量聚乙烯纖維I經(jīng)噴絲頭擠出后，經(jīng)進絲口 2進入到側(cè)吹風箱體7內(nèi)，氣體從進風口 3進