专利名称：双阶式超高分子量聚乙烯均匀溶液的连续溶解和解缠纺丝装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双阶式超高分子量聚乙烯均匀溶液的连续溶解和解缠纺丝装置。
背景技术：
众所周知，凝胶纺丝是目前工业化过程中最为成功的超高分子量柔性链纺丝方 法，它是将超高分子量的柔性链高聚物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原料分子，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，以利用 超倍后拉伸的展开，形成高结晶、高取向的高强纤维结构形态。 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。不适当的溶胀 会导致在超高分子量聚乙烯颗粒表层形成一高粘稠层，它即阻止溶剂向聚合体内不断渗透 和扩散，又妨碍溶解过程中聚体大分子向溶剂中扩散，因此控制超高分子量聚乙烯的溶胀 显得尤为重要。 溶解是将一定量的超高分子量聚乙烯原料经加热和较长时间保温过程而造成的 热分解。超高分子量聚乙烯在高温与氧气接触宜发生热氧化降解，导致分子量急剧下降及 色泽变黄，避免热氧化降解的发生，是溶解过程中最主要的工作之一。同时消泡和脱泡也是 溶解过程中重要的一环，溶解结束后，纺丝原液的粘度依然很高，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。 美国Allied公司专利US4， 413， 110，日本可乐丽公司的JP. 86-73743，中国专利 97106768为代表的现有技术中，多以双螺杆为主要溶解挤出手段，这种方式存在以下问
题 1、双螺杆脉动问题作为过去主要用于塑料行业的双螺杆挤出机，虽然有良好的 混炼效果，但它所特有的脉动特点，在纺丝时压力会产生脉动变化，从而极大地影响纺丝的 稳定性和纺丝质量的下降。 2、高效经济生产问题由于双螺杆的不可能做的无限长，因而，若要提高产量，就 要加快速度或增加其他的辅助溶解手段，而加快速度，就会导致溶液在螺杆中的停留时间 縮短，导致溶解的不足，从而无法制造合格的初生丝。如果降低溶解的速度，就会大大降低 产量，无法实现经济生产。增加其他的溶解手段，也存在成本增加，控制困难等问题。
3、混炼元件增加带来的问题为保证物料能够经高效混炼达到充分均一化，必须 增加捏合块、反螺纹块以及其他混炼元件的数量，使物料在双螺杆挤出机中的停留时间加 长，但反螺纹块数量加多会影响挤出机的输出能力和机头压力，更重要的是高分子量聚乙 烯原料在螺杆中停留的时间过长，会导致降解过大和颜色变黄，影响成品纤维的性能。
美国Allied公司专利US4， 413， 110 (见图1)，日本可乐丽公司的JP. 86-73743 (见图2)等专利均采用双螺杆为溶解和挤出方式纺丝，为了弥补双螺杆溶解的不足，即料液在双螺杆挤出机中的停留时间较为短暂，需增加双螺旋混合器，高速鼓式混合器，溶解槽等装置，目的是加快溶解的均匀性和溶解效率，从而获得较大产能，实现经济生产的目地。由于这些辅助的溶解措施，设备复杂，成本高，难以连续进行，脱泡困难，经溶解后的溶液由于粘度非常大，输送也是很大的困难。 中国专利97106768 (见图3)采用大长径比的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，事实上工业生产过程中双螺杆不可能制造的特别长，而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，同时也会极大地影响产量，无法达到经济生产。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中采用双螺杆为溶解和挤出方式纺丝所存在的上
述问题，提供一种双阶式超高分子量聚乙烯均匀溶液的连续溶解和解缠纺丝装置。本发明设计双阶式超高分子量聚乙烯均匀溶液的连续溶解和解缠纺丝装置，依此包括溶胀釜、超高分子量聚乙烯悬浮液储存釜、平行同向双螺杆挤出机、溶体泵、喷丝板、冷凝池、络筒装
置，其特征在于在溶体泵和喷丝板之间连接有单螺杆挤出机，溶体泵的输出端连接单螺杆挤出机的输入口，单螺杆挤出机的输出口连接喷丝板，平行同向双螺杆挤出机中的双螺杆为大长径比，单螺杆挤出机中的单螺杆为小长径比，平行同向双螺杆挤出机中的双螺杆为大长径比为L/D = 28 56，单螺杆挤出机中的单螺杆为小长径比为L/D = 7 15。本发明的优点是采用了超高分子量聚乙烯在烷烃类溶剂中进行适度溶胀，制得超高分子量聚乙烯的悬浮液，连续、定量地喂入双螺杆挤出机中完成溶胀、预溶解、脱泡过程，然后通过溶体泵喂入单螺杆挤出机，通过单螺杆挤出机进行快速的溶解，然后加压挤出，经过纺丝组件及冷却，形成合格的絲条，从而更为简捷地实现连续制备均匀的纺丝溶液过程。
图1——图3为现有技术的结构示意图，
图4为本发明的结构示意图，
下面结合实例对本发明作详细说明。
具体实施例方式
图4中依此包括溶胀釜1、超高分子量聚乙烯悬浮液储存釜2、平行同向双螺杆挤出机3、溶体泵4、喷丝板6、冷凝池7、络筒装置8，其特征在于在溶体泵4和喷丝板6之间连接有单螺杆挤出机5，溶体泵4的输出端连接单螺杆挤出机5的输入口 ，单螺杆挤出机5的输出口连接喷丝板6。平行同向双螺杆挤出机3中的双螺杆为大长径比，单螺杆挤出机5中的单螺杆为小长径比。平行同向双螺杆挤出机3中的双螺杆为大长径比为L/D = 28 56，单螺杆挤出机5中的单螺杆为小长径比为L/D = 7 15。 由于本装置采用大的长径比的平行同向双螺杆挤出机3和小的长径比单螺杆挤 出机5进行组合，因而可以通过双螺杆达到完成溶涨和预溶解及脱泡的目的，然后以较快 速度完成均匀的溶解和挤出，具体为 (1)将超高分子量聚乙烯悬浮液呈均匀喂入平行同向双螺杆挤出机3，喂入口的 温度不宜过高，以防止喂入口的堵塞；双螺杆螺纹块的运动会使溶液不断产生很薄的界面， 它对气泡排除了提供了很好的条件，在双螺杆的后部迅速溶提高至解温度，以利于超高分 子量聚乙烯溶解所需的能量，使大分子能迅速地扩散到溶剂中去；以便完成部分溶解，使溶 体的粘度迅速提高，增大机头与输入口的压力差，使其大量的气泡依靠前后的巨大的压差， 迅速自动向后通过排气装置排出。 根据相关的专利数据表明当双螺杆机头压力达到20kg/cm2以上，即使溶液的粘 度至5000c. p.，气泡会自然地向压力小的方向(喂入口 )运动，并通过螺纹与螺套之间的间 隙从双螺杆挤出机的喂入口排除，双螺杆挤出机机头之间的诸多部位如过滤器、纺丝组建 的压降，适当提高双螺杆挤出机的输出压力至25kg/cm2是必要的，将压力控制在25-40kg/ cm2之间均能使纺丝得以顺利进行。 (2)通过单螺杆挤出机5进一步的快速溶解，利用单螺杆具有稳定压力输出的特 点，将得到良好解缠的溶体直接简单地输送到喷丝板，通过纺丝组件和冷却等装置，可以使 纺丝得以迅速顺利进行。 本发明以下列实施例予以说明，但本发明的专利保护范围不受实例条件的局限。
实施例 将重均分子量为3 5X105的超高分子量聚乙烯，制得浓度为8%的超高分子量 聚乙烯的悬浮液。将此悬浮液的搅拌状态下，定量加入到L/D = 48，直径①108mm的平行同 向双螺杆挤出机3的加料漏斗中，转速为每分90 250r. p. m.，经过双螺杆溶胀、预溶解和 脱泡。然后将所得淤浆通过熔体泵打入到L/D = 15，直径O150的单螺杆挤出机5中，螺杆 的转速为60 90r. p. m.，再通过过滤器、计量泵、纺丝组件，喷丝板为直径l匪，孔数为240 孔，纺丝位为8个，可以实现每小时500 650公斤的连续、均匀得到透明、无气泡的超高分 子量聚乙烯丝条。 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25g/d的高强、高模
聚乙烯纤维。 对照例1 : 按实施例制得的超高分子量聚乙烯悬浮液喂入不带有本发明所指的双螺杆挤出 机进行溶胀、脱泡和溶解挤出时(溶解条件与实施例基本相同)，从双螺杆挤出机的机头模 口吐出的丝条中可见此时超高分子量聚乙烯未能充分溶解，表现为丝条粗细不均，骤冷之 后所得冻胶丝条呈现极差的拉伸性能。调整各区的温度和捏和块，反螺纹块，降低螺杆的转 速，也可以制得基本符合质量标准的纤维，但产量会降低至150 280公斤。
权利要求
双阶式超高分子量聚乙烯均匀溶液的连续溶解和解缠纺丝装置，依此包括溶胀釜、超高分子量聚乙烯悬浮液储存釜、平行同向双螺杆挤出机、溶体泵、喷丝板、冷凝池、络筒装置，其特征在于在溶体泵和喷丝板之间连接有单螺杆挤出机，溶体泵的输出端连接单螺杆挤出机的输入口，单螺杆挤出机的输出口连接喷丝板。
2. 按权利要求1所述的双阶式超高分子量聚乙烯均匀溶液的连续溶解和解缠纺丝装置，其特征在于平行同向双螺杆挤出机中的双螺杆为大长径比为L/D = 28 56，单螺杆挤出机中的单螺杆为小长径比为L/D = 7 15。
全文摘要
本发明涉及一种双阶式超高分子量聚乙烯均匀溶液的连续溶解和解缠纺丝装置。依此包括溶胀釜、超高分子量聚乙烯悬浮液储存釜、平行同向双螺杆挤出机、溶体泵、喷丝板、冷凝池、络筒装置，其特征在于在溶体泵和喷丝板之间连接有单螺杆挤出机，溶体泵的输出端连接单螺杆挤出机的输入口，单螺杆挤出机的输出口连接喷丝板，本发明的优点是采用了超高分子量聚乙烯在烷烃类溶剂中进行适度溶胀，制得超高分子量聚乙烯的悬浮液，连续、定量地喂入双螺杆挤出机中完成溶胀、预溶解、脱泡过程，通过溶体泵喂入单螺杆挤出机，通过单螺杆挤出机进行快速的溶解，加压挤出，经过纺丝组件及冷却，形成合格丝条，从而更为简捷地实现连续制备均匀的纺丝溶液过程。
文档编号D01D13/00GK101781808SQ200910045418
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月15日 优先权日2009年1月15日
发明者刘华轩, 王惠芬, 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