专利名称：带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置。
背景技术：
众所周知，有机高分子的主链由于分子键的自由旋转，高分子链构象中，全是反式构象和全是左旁式构象出现的概率是很小的，绝大部分呈现的是反式与旁式之间的构象，即既不是完全伸直也不是完全巻曲的构象，而且由于热运动，这些构象也在不断的振动，改变中，使长链表现出或多或少的柔性，尤其是一些非刚性的高分子链，使其在总体上表现为无规线团(见图l)，这是大多数线型非极性高分子的稳定构象，而众多的高分子链聚集在一起，必然会相互缠结在一起。 对于超高分子量的PE而言，首先考虑到PE分子的主链旋转位能很低，因此柔性很大，是目前所有高聚物中柔性最大的一种，同时随着分子量的不断提高，单根分子链产生拓扑缠结的数量迅速上升，因此，这样的高聚物材料虽然有熔点，但在熔融温度处，体系的粘度仍然很大，以至于无法进行纺丝。 凝胶纺丝是目前制造高模高强聚乙烯纤维最为成功的方法。它是将超高分子量的柔性链高聚物材料以较低的浓度溶解在溶剂中，制成溶液的目的是利用溶剂在一定程度上拆散相互缠结在一起的超高分子量分子链，同时防止产生新的缠结，在增大体系流动性，提供体系可纺性的同时，提供给凝胶丝合适的初生丝结构，以利于超倍热拉伸的展开，形成高结晶、高取向的高强纤维结构形态。而凝胶纺丝的关键在于超高分子量聚乙烯溶液的溶解，大分子解缠状态的保持。 溶解是将一定量的超高分子量聚乙烯原料以一定的浓度溶于相应的溶剂，经加热和较长时间保温过程而造成的热分解，实现在一定程度上拆散相互缠结在一起的大分子链，同时防止产生新的缠结，并通过如搅拌等方式的均匀混合和剪切促进这种行为，据有关实验和论著，溶解有以下特性 a.通过对溶液弹性模量的测定，可以了解到半稀溶液比浓溶液中大分子缠结的确少很多。但半稀溶液的流变特性基本上与浓溶液相似，属于典型的假塑性流体。
b.剪切速率对表现粘度的影响较大，也就是原液中的缠结点在较小剪切应力作用下容易拆散，此特点要求必须减小剪切应力。 c.柔性链大分子半稀溶液具有较高的弹性，施加较大剪切应力时容易发生弹性湍流现象。 所以，要提高纺丝速度和制造良好的初生纤维，首先必须从良好的溶解开始，同时
还要对相对分子质量及其分布、溶剂性质、纺丝温度、喷丝孔道长径比以及孔道进口处前椎
体角度等方面综合加以考虑。 而溶解需要解决三大关键问题 (1)经济高效生产与热氧化降解矛盾问题由于溶液中的缠结点施加较小的剪切应力更有利于拆散，而施加较大剪切应力时又容易发生弹性湍流现象，所以应该采用较小的剪切应力。而超高分子量聚乙烯在高温与氧气接触易发生热氧化降解，导致分子量急剧下降及色泽变黄，溶解速度过慢，不但容易产生热降解而且显然无法进行高效的的规模生产。因而，必须通过特殊设计的溶解设备以及温度、时间等工艺条件的控制来抑制和尽量避免这种现象。 (2)脱泡问题溶解过程中和溶解结束后，纺丝原液的粘度很高，但纺丝原液中存在大量的气泡，气泡的存在会使纺出的凝胶丝条成为气泡丝，导致牵伸时丝条断裂，无法得到性能合格的成品纤维，因此要对纺丝原液进行脱泡。 (3)溶液输送问题溶解结束后，纺丝原液的粘度很高，因而输送非常困难，方便的输送方式也是必须的。
综上所述溶解和解缠是制造高品质初生丝的关键，而这个过程一般要通过溶解
设备的特殊设计以及温度、时间等工艺条件的控制来抑制和尽量避免这种现象。 现有技术多采用釜式溶解、双螺旋混合器溶解，高速鼓式混合器溶解，双螺杆混合
溶解等方式来完成溶解的过程，但他们都存在一些弊端和问题。概括来讲釜式溶解、双螺旋
混合器溶解，高速鼓式混合器溶解的主要问题是效果不够稳定，难以连续进行，脱泡困难，
同时存在输送困难；而使用双螺杆来连续完成，则由于双螺杆不可能制造的无限长，所以很
难进行规模的经济生产。主要的现有技术剖析如下 采用釜式溶解时发生俗称爬杆现象，引起爬杆现象的原因在于溶解过程中溶液粘度急剧提高。唯一的解决途径是降低溶液浓度和减低搅拌速度，前者显然提高了生产成本，而后者延长溶解过程，造成溶液的不均匀性。 美国Allied公司US4， 413， 1109(图2)采用超高分子量聚乙烯在石蜡油中预溶解，再利用双螺旋混合器将其进一步溶解，制成具有较高粘度的淤浆和强迫输入双螺杆挤出机中完成溶解；此工艺对预溶解的处理目的是弥补双螺杆的溶解的不足，即料液在双螺杆挤出机中的停留时间较为短暂。此方法主要问题是设备十分复杂，脱泡困难，同时它也无法实现连续自动输送的问题。 为解决上述专利存在的缺陷Allied公司又在US4， 784， 820推出了新工艺路线，它是采用超高分子量聚乙烯在石蜡油中形成淤浆，为达到聚乙烯在淤浆中的浓度均匀，使用了高速的鼓式混和器(转速1728r.p.m.)，使输入料液均匀化，并以柱塞泵在一定压力条件下输入单螺杆进行溶解。此工艺存在主要的问题是混合效果差，淤浆的输送非常困难。
日本可乐丽公司于1986年推出JP. 86-73743 (图3)连续制备超高分子量聚乙烯均匀纺丝溶液的方法。具体过程是将超高分子量聚乙烯在石油溶剂中先溶胀，再初溶解，然后将未经充分溶解物经双螺杆挤出机中溶解，由此制得均匀的纺丝溶液，此方法存在的问题是超高分子量聚乙烯在溶解槽中长时间经受高温，导致分子量降解，且溶解槽的脱泡效果不佳，从而影响了纺丝的正常进行；经初步溶解后的粘度激增，只有采用特殊的方法才可以完成淤浆的输送。 中国专利97106768 (图4)采用双螺杆一次完成从悬浮液到溶胀、均匀溶解、脱泡、挤出的方案。由于超高分子量聚乙烯在溶剂中的溶解过程可分为二个阶段溶胀和溶解。在溶胀阶段，主要表现为溶剂向超高分子量聚乙烯中渗透与扩散，它是溶解混匀的关键。然而，溶胀是一个缓慢过程，原因在于高结晶的超高分子量聚合体阻碍了溶剂的渗透。如果混合液在螺杆中停留的时间短，则可能导致溶胀溶解不足，无法制造高品质的初生丝，如果停留时间太长，则可能导致溶液的氧化降解，事实上工业生产过程中双螺杆不可能制造的特 别长，此法会形成输出不足，产量很低，不容易实现规模经济生产。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中高强高模聚乙烯纺丝溶液的连续溶解和解缠中
所存在的问题，提供一种带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置。本发
明设计带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置，包括溶胀釜、过渡罐、双
螺杆挤出机、齿轮泵、喷丝板、冷凝池、络筒装置，其特征在于在过渡罐和双螺杆挤出机之
间连接有一梳状解缠装置，过渡罐的输出口接梳状解缠装置的输入口 ，梳状解缠装置的输
出口接双螺杆挤出机的输入口。梳状解缠装置由可以调整速度动力组件、机筒及螺杆组成，
在机筒上有可以分区控制温度的加热圈。在螺杆的杆体上和螺顶间密布有螺旋状锥针形结
构。梳状解缠装置的机筒尾部有排气孔。本发明的优点是采用密布于螺杆螺顶间的呈螺旋
分布的锥针型结构，其类似梳棉机的针形结构的目的主要是增大对被溶解物的剪切，这种
特殊螺旋状锥针型结构，并可以在较慢的转速下，很好地促进溶液的均匀混合，并极大提高
解缠的效率，附和原液中的缠结点在较小剪切应力作用下容易拆散的要求。 1、同时由于溶解的进行，使溶体的粘度迅速提高，增大了机头与输入口的压力差，
使在溶解中出现的大量的气泡依靠前后的巨大压差，透过螺杆与螺筒间的间隙，迅速自动
向后通过排气装置排出。 2、此装置的分区温度控制和独立的动力系统，可以方便有效地控制溶解的温度和 速度。 3、本装置可以利用自身具有的推进挤出系统，自动连续地将得到良好解缠的溶体 直接简单地输送到双螺杆，同时由于解缠和剪切的作用，使溶液的表现粘度大大下降，为双 螺杆顺利输入创造了条件。
图1为有机高分子的主链缠结的示意图， 图2-图4为现有技术的结构示意图， 图5为本发明的结构示意图， 图6为本发明的梳状解缠装置结构示意图， 图7为本发明的图6中的局部放大示意图， 下面结合实例对本发明作详细说明。
具体实施例方式
包括溶胀釜1、过渡罐2、双螺杆挤出机4、齿轮泵5、喷丝板6、冷凝池7、络筒装置 8，其特征在于在过渡罐2和双螺杆挤出机4之间连接有一梳状解缠装置9，过渡罐2的输 出口接梳状解缠装置9的输入口 ，梳状解缠装置9的输出口接双螺杆挤出机4的输入口 。梳 状解缠装置9由可以调整速度动力组件10、机筒11及螺杆12组成，在机筒11上有可以分 区控制温度的加热圈13。在螺杆12的杆体上和螺顶间密布有螺旋状锥针形结构14。梳状 解缠装置9的机筒11尾部有排气孔3。本发明采用了超高分子量聚乙烯在烷烃类溶剂中进行溶胀，喂入本发明所指的梳状解缠装置9，由于此结构采用小的长径比制造，它一方面有 类似螺杆12的推进装置，同时又有类似梳棉机结构的针状结构后尾部的排气孔15，由于较 小的剪切应力更有利于将粘度很大的溶液解缠，而本发明所设计的梳状解缠装置的特殊结 构可以在较慢的转速下，极大提高解缠的效果；同时利用较大的机头和输入端的压力差，将 大部分气泡自动向后通过排气口排出；三是可以利用类似螺杆的分区控制温度技术和转速 调整功能，有效地控制溶解的温度和速度。实现利用不同区段的加热温度，完成边推进，边 溶解和解缠和脱泡的连续过程。从而良好地解决使用普通的溶解釜槽等无法排气和推出困 难等难题。溶解解缠后的纺丝液通过一个具有计量和溢流功能的装置，直接输送到双螺杆 挤出机中完成进一步的溶解、脱泡过程，然后连接后续的纺丝装置，从而更为简捷地实现连 续制备均匀的纺丝溶液过程。 通过梳状解缠装置9和双螺杆挤出机4的有机配合，充分发挥二者的优势，实现一 种快速、高效和节能的连续制备聚合体纺丝溶液的方法，实现高品质纤维的经济生产，由此 克服以往工艺中采用的复杂、繁琐的均匀溶解和解缠难题，同时解决了以往仅用一个双螺 杆所产生的顾此失彼，难以兼顾的问题，大幅度提高产量，实现节能环保，提升产品品质的 目的。 本发明以下列实施例予以说明，但本发明的专利权项不受实例条件的局限。
实施例 将重均分子量为3 5 X 105的超高分子量聚乙烯80kg，抗氧剂1. 3kg，白油(沸 点为185-300°C )920kg配制成8%浓度的溶液投入备有搅拌的1000L反应釜内，将此溶液 加热，制得超高分子量聚乙烯的悬浮液。通过加热和搅拌，对此溶液进行溶胀处理。在搅 拌状态下，通过流量阀连续均匀地将所得淤浆输入到本梳状解缠纺丝装置中进行溶解和解 缠，然后通过熔体泵打入随后的双螺杆挤出装置，经纺丝组件等完成纺丝的连续过程，具体 如下 1、梳状解缠挤出装置的直径与长径比为①150mm、 L/D = 7 15。
2、梳妆解缠挤出装置的转速为60 90r. p. m. 3、梳妆解缠挤出装置的筒体温度喂入段115°C，中间段135"，输出段185°C。 4、预溶解的淤桨在梳状解缠挤出装置的时间约为2 10分钟 5、双螺杆挤出机直径与长径比①2 X 108mm、 L/D = 286、双螺杆挤出机的转速90-250r. p. m. 7、淤浆在双螺杆挤出机中停留时间1 10分钟。 8、双螺杆挤出机的形式同向平行双螺杆挤出机。
9、双螺杆挤出机的螺纹元件形式输送、混炼、捏和、计量等螺纹元件。 以上述条件的配合可以实现每小时可得到均匀透明、无气泡的超高分子量聚乙烯
丝条500 800公斤，产量约为仅使用双螺杆的一倍。 将上述冻胶丝进行连续萃取，干燥和超倍拉伸，可制得强度为33g/d的高强、高模 聚乙烯纤维。
权利要求
带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置，包括溶胀釜、过渡罐、双螺杆挤出机、齿轮泵、喷丝板、冷凝池、络筒装置，其特征在于在过渡罐和双螺杆挤出机之间连接有一梳状解缠装置，过渡罐的输出口接梳状解缠装置的输入口，梳状解缠装置的输出口接双螺杆挤出机的输入口。
2. 按权利要求1所述的带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置，其特征在于梳状解缠装置由可以调整速度动力组件、机筒及螺杆组成，在机筒上有可以分区控制温度的加热圈。
3. 按权利要求1所述的带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置，其特征在于在螺杆的杆体上和螺顶间密布有螺旋状锥针形结构。
4. 按权利要求1所述的带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置，其特征在于梳状解缠装置的机筒尾部有排气孔。
全文摘要
本发明涉及一种带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯连续溶解与纺丝装置。包括溶胀釜、过渡罐、双螺杆挤出机、齿轮泵、喷丝板、冷凝池、络筒装置，其特征在于在过渡罐和双螺杆挤出机之间连接有一梳状解缠装置，过渡罐的输出口接梳状解缠装置的输入口，梳状解缠装置的输出口接双螺杆挤出机的输入口。梳状解缠装置由可以调整速度动力组件、机筒及螺杆组成，在机筒上有可以分区控制温度的加热圈。在螺杆的杆体上和螺顶间密布有螺旋状锥针形结构。梳状解缠装置的机筒尾部有排气孔。本发明的优点是用密布于螺杆螺顶间的呈螺旋分布的锥针型结构，增大对被溶解物的剪切，可以在较慢的转速下，很好地促进溶液的均匀混合，并极大提高解缠的效率。
文档编号D01D1/02GK101775668SQ200910045198
公开日2010年7月14日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者刘华轩, 朱一平, 杨静, 王惠芬, 邱中衡, 陈新 申请人:上海博迪纺织新材料有限公司;常州市恒力机械有限公司