专利名称：一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法
技术领域：
本发明属于高分子材料制备技术领域，特别涉及一种超高分子量聚乙烯纤维生产的采 用二甲苯为溶剂的干法纺丝工艺方法。
背景技术：
超高分子量聚乙烯纤维，又称高强度高模量聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、高性 能聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量、高取向度等特性，广泛用于 防弹防护用品、绳索、缆绳、运动器材的制造。超高分子量聚乙烯纤维是现在世界上比强 度最高的商业化高性能纤维。超高分子量聚乙烯纤维的原料聚乙烯的相对分子量必须大于100万，最好大于400万。1979年荷兰DSM公司的P.Smith和RJ丄emstra发明了凝胶纺丝法生产超高分子量聚乙 烯纤维的工艺，并取得了英国专利GB2042414和GB2051667。 1982年美国的AlliedSignal 公司(1999年与Honeywell公司合并，称Honeywell公司)也提出了自己的生产超高分子 量聚乙烯纤维的专利US4413110。 DSM公司于1990年实现了凝胶纺丝法制超高分子量聚 乙烯纤维的工业化生产。常见的凝胶纺丝法制造超高分子量聚乙烯纤维的主要工艺步骤有将超高分子量聚乙 烯溶于第一溶剂配制成聚乙烯溶液，由螺杆挤出机挤出，经纺丝箱体喷出后，冷却凝固成 凝胶纤维，称为初生纤维，再用挥发性的第二溶剂萃取出第一溶剂，最后进行超倍数热牵 伸的牵伸和热定型工艺，最终获得成品纤维。现在世界上生产工艺主要有两大类， 一类以DSM和东洋纺为代表的干法纺丝法，另一 类以Honeywell代表的湿法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂和后续工艺。DSM 工艺，采用十氢萘溶剂。十氢萘易挥发，可以用于干法纺丝，省去了其后的萃取工段； Honeywell采用石蜡油溶剂，需要后续的萃取工段，用第二溶剂将第一溶剂萃取出来。干法纺丝相对于湿法纺丝，具有流程简单，纺丝过程较为稳定，产品均一等优点；但 是需要采用合适的溶剂，即需要有溶解性较好并且容易挥发的溶剂，另外对系统的密闭性 要求较高，对回收系统的运行效率要求较高。美国Honeywell公司在WO2006/073743中提出了一种以十氢萘等物质为溶剂的凝胶纺 丝制造超高分子量聚乙烯纤维的方法。在该专利中，超高分子量聚乙烯的十氢萘溶液经过 喷丝板挤出后，经过一个纺丝甬寧或者水槽，通过气体或者液体冷却溶液形成初生纤维， 然后干燥除去纤维中残存的十氢萘，接着进行热牵伸，最后巻绕成型。干燥和冷却的气体 采用氮气或者二氧化碳，含有十氢萘的废气采用冷凝或者吸附分离的方法进行净化分离。 分离出的十氢萘和洁净气体循环使用。该专利提出可以使用的溶剂除了十氢萘，还有1，2-二氯苯。十氢萘是超高分子量聚乙烯的良好溶剂，并且易挥发，是现行的干法纺丝生产超高分 子量聚乙烯纤维过程中采用的溶剂。但是十氢萘有毒，并且价格高，不易大量获得。十氢 萘易燃，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。十氢萘的闪点为57.78'C，爆炸极限为0.7 4.9%。 与氧化剂能发生强烈反应。接触空气或在光照条件下可生成具有潜在爆炸危险性的过氧化 物。采用十氢萘工艺，对系统的密闭性和回收系统的效率要求高，生产成本较高。四氢萘 也具有十氢萘类似的特性及优缺点。发明内容本发明的目的是为克服已有干法纺丝工艺的不足之处，提出一种超高分子量聚乙烯纤 维制备的干法纺丝工艺方法。该工艺采用二甲苯作为溶剂溶解超高分子量聚乙烯，制成溶 液。整条生产线除巻绕工序外，都可在密闭条件下迸行生产，具有生产成本较低的优点。本发明提出的一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法，其特征在于采 用二甲苯为溶剂进行干法纺丝工艺，包括 1) 进料工段首先使二甲苯溶剂和超高分子量聚乙烯粉料、助剂充分混合溶解；2) 溶解后的物料经过过滤、脱泡后通过螺杆挤出机挤出，经过计量泵和纺丝箱体、 喷丝板喷出后，凝固成型；3) 然后通过热气干燥除去纤维中的二甲苯后进行热牵伸，最终巻绕成成品。 上述步骤l)具体包括11) 将二甲苯溶剂、超高分子量聚乙烯粉料和助剂加入搅拌釜中进行初溶解，时间为5~20小时，温度为90 130'C，最好为100~125°C，所述各成分的重量占总量的百分数为 超高分子量聚乙烯粉料的含量为0.5~5%，(此步骤加入量占总超高分子量聚乙烯加入量的 5~50%)，各种助剂的总含量不超过5%，其余为二甲苯溶剂；12) 初溶解后的物料进入第二个搅拌釜，再加超高分子量聚乙烯粉料，使超高分子量 聚乙烯的含量最终为1~10% (该段聚乙烯的加入量占总加入量的50 95%)，搅拌溶解，时 间为5~25个小时(最好为7~10小时)，温度为85~130°C (最好为105 125°C)。上述11)、 12)两个步骤也可用上个步骤完成，即将高分子量聚乙烯粉料的用量一取 性与二甲苯溶剂和助剂充分混合溶解。上述步骤1)所述的溶剂二甲苯为间二甲苯，或者邻二甲苯，或者对二甲苯，或者其 中两种或者三种的混合物。上述步骤1)所述的助剂为表面活性剂、抗氧化剂、流动促进剂其中的一种或者几种 的混合物。上述步骤2)中的凝固成型可以采用凝固浴凝固成型或冷却气体风冷冷凝成型，具体 内容分别说明如下第一种采用凝固浴凝固成型:超高分子量聚乙烯溶液从喷丝板挤出后,经过长度为1~10 厘米的气体段后进入凝固浴(凝固浴液体主要成分为水和含量不超过总量5%的表面活性 剂等助剂)；气体段置于一个下端开口的纺丝甬道中，甬道的下端浸入纺丝凝固浴的液面 以下，甬道的一侧设有气体入口，另一侧设有气体出口 (气体为氮气或者二氧化碳)，温 度为30 11(TC (一般40 8(TC,最好为60~70°C，如果气体温度过高，二甲苯挥发速度过 快，会形成较多较大的孔洞，易在该段形成断丝和毛丝等。如果气体温度过低，凝固速度 过快，不利于溶剂二甲苯挥发)；丝条进入凝固浴后凝固成型，凝固浴的温度为5~30°C (最 好为15~20°C)。上述步骤中凝固浴液体经过油水分离器分离出二甲苯，打回步骤1)的进料段循环使 用；水分由泵送回凝固水槽循环使用(根据溶液的二甲苯含量和纺丝速度，确定凝固浴液 体的处理量，以保证凝固水槽中二甲苯含量保持稳定)。第二种完全采用冷却气体风冷冷凝成型。溶液从喷丝板挤出后，经过长度为50~110厘 米的一段纺丝甬道，经氮气或者二氧化碳、或者空气吹扫降温后凝固成型；氮气或者二氧 化碳的温度为30~100°C,最好为30 70'C。上述步骤3)的干燥处理凝固成型后的纤维为初生纤维，需要除去内部残存的二甲 苯溶剂。下-燥工段置于密封罩内。干燥气体为空气，或者氮气，或者二氧化碳,温度为30-110 。C ， 一般为35~70。C ，最好为40~60。C;干燥后的纤维中二甲苯的含量很少， 一般低于1%。然后进入热牵伸工段进行牵伸。上述步骤3)的热牵伸工段也在密封罩中进行，罩内充入氮气或者二氧化碳，温度为 100~140°C。牵伸为多级牵伸，可以为二级，或者三级，或者四级牵伸。牵伸机为四辊牵 伸机，或者七辊牵伸机，或者其它类型的牵伸机。牵伸完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型，制成最终产品。本发明还包括从步骤2)、 3)排出的含有二甲苯的废气，先通过换热器降温，然后 通过压縮^l加压，然后进入冷凝器冷凝出部分液体二甲苯，分离出的二甲苯回进料段循环 使用。从冷凝器排出的气体，进入膜分离或者吸附分离装置进一步浄化，分离出的二甲苯 也回到步骤1)循环使用，净化后的气体经换热后进入干燥、热牵伸和凝固成型工艺循环 使用。经过换热器的气体温度不高于20'C，最好不高于5'C。冷凝器的温度不高于-5'C， 最好不高于-15X:。吸附分离采用的吸附剂为活性炭、活性碳纤维或者其它吸附剂。本发明的特点及有益效果本发明采用二甲苯作为超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺的溶剂，二甲苯较 易挥发。与十氢萘和四氢萘相比，虽然溶解性能稍差，但是价格较低，因而回收效率相同 的情况下生产成本较低。邻、间、对二甲苯的沸点为138 H4'C。 二甲苯属于高闪点易燃 液体，因此使用过程需要注意防爆(电器设备为防爆设备)。二甲苯的沸点低于十氢萘， 因此采用二甲苯为溶剂时的操作温度要稍低。采用二甲苯溶解超高分子量聚乙烯，在室温条件下能够达到2%浓度，在加热的条件下 可以达到5%以上。
图1为采用本发明方法的超高分子M聚乙烯纤维的制造工艺流程图，其中凝固成型采用凝固浴的冷凝方法。图2为采用本发明方法的超高分子量聚乙烯纤维的制造工艺流程图；其中凝固成型采 用完全气体冷却的干法纺丝。
具体实施方式
本发明提出的一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法结合附图及实施例详细说明如下采用本发明方法的超高分子量聚乙烯纤维的制造工艺流程如图1所示，其中凝固成型 采用凝固浴的冷凝方法，包括以下步骤-溶剂二甲苯103和回收的溶剂二甲苯101，超高分子量聚乙烯原料和抗氧化剂等助剂102(抗氧化剂可以采用胺类、酚类、亚磷酸酯类或者有机硫类抗氧化剂，例如Irganox B215, Irganox B225, Irganox B220，UItranox 875A,Ultranox 877A， Ultranox626m, Tenamena 2000等) 进入搅拌釜104进行充分混合、溶解，操作温度为90 130'C，在该段工艺中聚乙烯的重量 为总量0.5~5% (即加入的聚乙烯占聚乙烯总量的5~50%)。然后进入搅拌釜105并再加入 一定量原料聚乙烯106进行溶解，操作温度为85~130°C，最终使聚乙烯的含量达到总量 1 10%，助剂的含量不超过5%， 一般不超过1%。溶解完全后进入螺杆挤出机108中挤出， 螺杆挤出机由电机107带动。经过计量泵109计量后，通过纺丝箱体和喷丝板110喷出， 经过纺丝甬道112，氮气或者二氧化碳117流入，从111流出，溶液进入凝固水槽113中 凝固成型，凝固水浴中加入不超过总量5%的表面活性剂，凝固水浴的温度一般为15~20 'C。部分凝固浴液体114由水槽113中流出，进入油水分离器等净化分离装置116，分离 出二甲苯126和其它工段的回收二甲苯混合成132，回到进料段，分离出的水115，流回凝 固水槽113。凝固成型后的纤维进入干燥箱118内进行干燥。干燥后的纤维进入热牵伸工 段120进行牵伸，最后在巻绕机122上巻绕成型。从纺丝甬道、干燥箱和热牵伸出来的含有二甲苯的废气，经过换热器127降温后，经 过压缩机128压縮后，进入冷凝器129中冷凝，冷凝出的二甲苯131和其它工段回收二甲 苯汇成132，返回进料段。冷凝器129出来的气体130，进入吸附分离或者膜分离器123 中进行分离，分离出的二甲苯和其它工段回收的二甲苯汇成132返回进料段。从吸附分离 或者膜分离器123中分离出的气体(氮气或者二氧化碳)124，经过换热器121返回热牵 伸120，经过换热器119返回干燥箱118，或者经过换热器117返回纺丝甬道112。分离出 來的二甲苯125和其它分离回收的二甲苯汇成132返回进料段。采用本发明方法的超高分子量聚乙烯纤维的制造工艺流程如图2所示，其中凝固成型 采用完全气体冷却的干法纺丝。本发明的工艺流程包括以下步骤溶剂二甲苯201和回收的溶剂二甲苯226，超高分子量聚乙烯原料202，抗氧化剂等 助剂203等(抗氧化剂可以采用胺类、酚类、亚磷酸酯类或者有机硫类抗氧化剂，例如IrganoxB215, Irganox B225， Irganox B220，Ultranox 875A，Ultranox 877A， Ultr咖x626m， Tenamena 2000等)进入搅拌釜204进行充分混合、溶解，操作温度为90~130'C,在该段工艺中聚 乙烯的重量为物料总量的0.5~5% (即加入的聚乙烯占聚乙烯总量的5~50%);然后再进入 搅拌釜205再加入一定量的原料聚乙烯206进行溶解，操作温度为85~130°C，最终聚乙烯 的含量达到总量的1~10%，助剂的含量不超过总量的5%， 一般不超过1%。溶解完全后进 入螺杆挤出机208中挤出，螺杆挤出机由电机207带动。经过计量泵209计量后，通过纺 丝箱体和喷丝板210喷出，经过纺丝甬道211凝固成型，氮气或者二氧化碳经过换热器212 流入进行冷却，从214流出。凝固成型后的纤维进入干燥箱213内进行干燥。干燥后的纤 维进入热牵伸工段215进行牵伸，最后在巻绕机218上巻绕成型。从纺丝甬道、干燥箱和热牵伸出来的含有二甲苯的废气，经过换热器219降温后，经 过压縮机220压縮后，进入冷凝器221中冷凝，冷凝出的二甲苯和其它工段回收二甲苯汇 成226，返回进料段。冷凝器221出来的气体222，进入吸附分离或者膜分离器223中进 行分离，分离出的二甲苯224和其它工段回收的二甲苯汇成226返回进料段。从吸附分离 或者膜分离器223中分离出的气体(氮气或者二氧化碳)225，经过换热器217返回热牵 伸215，经过换热器216返回干燥箱213，或者经过换热器212返回纺丝甬道211。本发明的二甲苯干法纺丝制造超高分子量聚乙烯纤维的实施例说明如下 实施例1将相对分子量500万的聚乙烯粉末和抗氧化剂、流动促进剂等助剂，和间二甲苯加入 搅拌釜A。聚乙烯物料的重量占总进料量的4%， Irganox B225抗氧化剂占总进料的0.8%。 搅拌釜温度保持在120°C，搅拌釜搅拌时间为IO小时。然后物料进入搅拌釜B，继续加入 聚乙烯粉末，使其占总物料量的7%，搅拌釜温度保持在120。C，搅拌5小时。然后搅拌釜 B的物料进入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为12(TC。经过计量泵、纺丝箱体、喷 丝板挤出，进入纺丝甬道。纺丝甬道长度为IO厘米，其中8厘米浸入凝固浴液面以下。 凝固浴的主要成分为水，加入1%的月桂基磺化琥珀酸单酯二钠表面活性剂，温度保持在 2(TC。纺丝甬道内通入氮气，氮气的温度为100'C。凝固成型后的纤维，进入干燥箱内进行干燥除去二甲苯。干燥箱内的温度为8(TC。从 回收装置来的氮气经过换热器加热到80。C后，分成16股，经过气体分布器，筛网，从干 燥箱底部吹入。干燥后的纤维，进入牵伸箱内进行热牵伸。牵伸箱内设有四台七辊牵伸机，加热到135 'C的氮气经过气体分布器，筛网，从牵伸箱底部吹入。牵伸机之间设有牵伸热箱，温度逐 级升高。牵伸机带有电加热功能，牵伸热辊加热到120'C。牵伸完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型。最终制成高强度高模量的超高分子量聚乙烯纤维。纤维的强度达到25cN/dtex以上，模 量达到960cN/dtex以上。从纺丝甬道、干燥箱和牵伸工艺流出的含有二甲苯的废气，先经过换热器，降温到20 'C，接着用压縮机将气体压縮，然后进久冷凝器冷凝，冷凝器温度为-30'C。冷凝出来的 液体经过过滤器，由泵送回进料段，和补充的新鲜的二甲苯混合进入搅拌釜和超高分子量 聚乙烯、助剂等固体物料混合。从冷凝器出来的气体，进入活性炭纤维吸附分离装置进行 分离，分离出来的残留二甲苯，经过过滤器过滤后，也返回进料段。吸附分离装置净化的 氮气，经过换热器换热升温后进入纺丝甬道、干燥箱和牵伸箱内。实施例2将相对分子量500万的聚乙烯粉末和抗氧化剂IrganoxB215、 CABOT公司的 CAB-0-SILM-5P流动促进剂等助齐j，和34%邻二甲苯、33%间二甲苯、33%对二甲苯组成 的溶剂加入搅拌釜A。聚乙烯的重量占总进料量的1%，抗氧化剂占总进料的0.5%，流动 促进剂占总进料的0.1%。搅拌釜温度保持在9(TC,搅拌釜搅拌时间为IO小时。然后物料 进入搅拌釜B，继续加入聚乙烯粉末，使聚乙烯物料占总物料量的4.5%，搅拌釜温度保持 在90'C，搅拌8小时。然后搅拌釜B的物料进入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为 125°C。经过计量泵、纺丝箱体、喷丝板挤出，进入纺丝甬道。纺丝甬道长度为8厘米， 其中6厘米浸入凝固浴液面以下。凝固浴的主要成分为水，加入3%的醇醚磷酸酯表面活性 剂，温度保持在2(TC。纺丝甬道内通入二氧化碳，二氧化碳气的温度为IIO'C。凝固成型后的纤维，进入干燥箱内进行干燥除去二甲苯。干燥箱内的温度为70'C。从 回收装置来的二氧化碳经过换热器加热到7(TC后，分成16股，经过气体分布器，筛网， 从干燥箱底部吹入。干燥后的纤维，进入牵伸箱内进行热牵伸。牵伸箱内设有四台七辊牵伸机，加热到135 'C的二氧化碳经过气体分布器，筛网，从牵伸箱底部吹入。牵伸机之间设有牵伸热箱，温 度逐级升高。牵伸机带有电加热功能，牵伸热辊加热到120°C。牵伸完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型。最终制成高强度高模量的超高分子量聚乙烯纤维。纤维的强度达到25cN/dtex以上，模 量达到960cN/dtex以上。从纺丝甬道、干燥箱和牵伸工艺流出的含有二甲苯的废气，先经过换热器，降温到5 'C，接着用压縮机将气体压縮，然后进入冷凝器冷凝，冷凝器温度为-30'C。冷凝出来的 液体经过过滤器，由泵送回进料段，和补充的新鲜的二甲苯混合进入搅拌釜和超高分子量 聚乙烯、助剂等固体物料混合。从冷凝器出来的二氧化碳气体，进入活性炭纤维吸附分离 装置进行分离，分离出来的残留二甲苯，经过过滤器过滤后，也返回进料段。吸附分离装 置净化的二氧化碳，经过换热器换热升温后进入纺丝甬道、干燥箱和牵伸箱内。实施例3将相对分子量500万的聚乙烯粉末和Ultranox 877A抗氧化剂等助剂，和邻二甲苯加 入搅拌釜A。聚乙烯物料的重量占总进料量的1.5%,抗氧化剂占总进料的0.5%。搅拌釜 温度保持在130'C，搅拌釜搅拌时间为IO小时。然后物料进入搅拌釜B，继续加入聚乙烯
粉末，使其占总物料量的4%,搅拌釜温羞保持在120。C，搅拌5小时。然后搅拌釜B的物 料进入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为125°C。经过计量泵、纺丝箱体、喷丝板挤 出，进入纺丝甬道。纺丝甬道长度为30厘米。纺丝甬道内通入氮气，氮气的温度为45'C。 凝固成型后的纤维，进入干燥箱内进行干燥除去二甲苯。干燥箱内的温度为8(TC。从 回收装置来的氮气经过换热器加热到60'C后，分成16股，经过气体分布器，筛网，从干 燥箱底部吹入。干燥后的纤维，进入牵伸箱内进行热牵伸。牵伸箱内设有四台七辊牵伸机，加热到110 °〇的氮气经过气体分布器，筛网，从牵伸箱底部吹入。牵伸机之间设有牵伸热箱，温度逐 级升高。牵伸机带有电加热功能，牵伸热辊加热到120'C。牵伸完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型。最终制成高强度高模量的超高分子量聚乙烯纤维。纤维的强度达到25cN/dtex以上，模 量达到960cN/dtex以上。从纺丝甬道、干燥箱和牵伸工艺流出的含有二甲苯的废气，先经过换热器，降温到IO 'C，接着用压縮机将气体压縮至2MPa，然后进入冷凝器冷凝，冷凝器温度为-20'。C。冷凝 出来的液体经过过滤器，由泵送回进料段，和补充的新鲜的二甲苯混合进入搅拌釜和超高 分子量聚乙烯、助剂等固体物料混合。从冷凝器出来的气体，进入膜分离装置进行分离， 分离出来的残留二甲苯，经过过滤器过滤后，也返回进料段。膜分离装置净化的氮气，经 过换热器换热升温后进入纺丝甬道、干燥箱和牵伸箱内。实施例4将相对分子量500万的聚乙烯粉末和Irganox B220抗氧化剂等助剂，和对二甲苯加入 搅拌釜A。聚乙烯物料的重量占总进料量的1.0%,抗氧化剂等助剂占总量的0.5%。搅拌 釜温度保持在125。C，搅拌釜搅拌时间为IO小时。然后物料进入搅拌釜B,继续加入聚乙 烯粉末，使聚乙烯物料占总物料量的6.5%，搅拌釜温度保持在12(TC,搅拌8小时。然后 搅拌釜B的物料进入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为125°C。经过计量泵、纺丝箱 体、喷丝板挤出，进入纺丝甬道。纺丝甬道长度为25厘米。纺丝甬道内通入氮气，氮气 的温度为40°C。凝固成型后的纤维，进入干燥箱内进行干燥除去二甲苯。干燥箱内的温度为7(TC。从 回收装置来的氮气经过换热器加热到7(TC后，分成16股，经过气体分布器，筛网，从干 燥箱底部吹入。干燥后的纤维，进入牵伸箱内进行热牵伸。牵伸箱内设有四台七辊牵伸机，加热到90 'C的氮气经过气体分布器，筛网，从牵伸箱底部吹入。牵伸机之间设有牵伸热箱，温度逐 级升高。牵伸机带有电加热功能，牵伸热辊加热到IO(TC。牵伸完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型。最终制成高强度高模量的超高分子量聚乙烯纤维。纤维的强度达到25cN/dtex以上，模 量达到960cN/dtex以上。
从纺丝甬道、干燥箱和牵伸工艺流&的含有二甲苯的废气，先经过换热器，降温到20 'C，接着用压缩机将气体压缩至2MPa，然后进入冷凝器冷凝，冷凝器温度为-3(TC。冷凝 出来的液体经过过滤器，由泵送回进料段，和补充的新鲜的二甲苯混合进入搅拌釜和超高 分子量聚乙烯、助剂等固体物料混合。从冷凝器出来的气体，进入活性炭纤维吸附分离装 置进行分离，分离出来的残留二甲苯，经过过滤器过滤后，也返回进料段。吸附分离装置 净化的氮气，经过换热器换热升温后进入纺丝甬道、干燥箱和牵伸箱内。实施例5将相对分子量500万的聚乙烯粉末和Tenamena 2000抗氧化剂等助剂，和含有50%邻 二甲苯、50。/。对二甲苯的溶剂加入搅拌釜A。聚乙烯物料的重量占总进料量的1.5%，抗氧 化剂占总进料的2.5%。搅拌釜温度保持在12(TC，搅拌釜搅拌时间为12小时。然后物料 进入搅拌釜B,继续加入聚乙烯粉末，使该物料占总物料量的6. 0%,搅拌釜温度保持在120 °C，搅拌6小时。然后搅拌釜B的物料进入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为125°C。 经过计量泵、纺丝箱体、喷丝板挤出，进入纺丝甬道。纺丝甬道长度为65厘米。纺丝甬 道内通入二氧化碳，二氧化碳的温度为50°C。凝固成型后的纤维，进入干燥箱内进行干燥除去二甲苯。干燥箱内的温度为7(TC。从 回收装置来的二氧化碳经过换热器加热到7CTC后，分成16股，经过气体分布器，筛网， 从干燥箱底部吹入。干燥后的纤维，进入牵伸箱内进行热牵伸。牵伸箱内设有四台七辊牵伸机。牵伸机之 间设有牵伸热箱，温度逐级升高。牵伸机带有电加热功能，牵伸热辊加热到11(TC。 牵伸完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型。最终制成高强度高模量的超高分子量聚乙烯纤维。纤维的强度达到25cN/dtex以上，模 量达到960cN/dtex以上。从纺丝甬道、干燥箱和牵伸工艺流出的含有二甲苯的废气，先经过换热器，降温到20 'C，接着用压縮机将气体压縮后进入冷凝器冷凝，冷凝器温度为-30'C。冷凝出来的液体 经过过滤器，由泵送回进料段，和补充的新鲜的二甲苯混合进入搅拌釜和超高分子量聚乙 烯、助剂等固体物料混合。从冷凝器出来的气体，进入活性炭纤维吸附分离装置进行分离， 分离出来的残留二甲苯，经过过滤器过滤后，也返回进料段。吸附分离装置净化的氮气， 经过换热器换热升温后进入纺丝甬道、干燥箱和牵伸箱内。实施例6将相对分子量500万的聚乙烯粉末和Irganox B220抗氧化剂等助剂，和含有30%邻二 屮苯、20°/。间二甲苯、50%对二甲苯的混合溶剂加入搅拌釜A。聚乙烯物料的重量占总进 料量的2.0%,抗氧化剂含量占总含量的2%。搅拌釜温度保持在95'C，搅拌釜搅拌时间为 20小时。然后物料进入搅拌釜B，继续加入聚乙烯粉末，使聚乙烯物料占总物料量的8. 0%, 搅拌釜温度保持在100'C，搅拌20小时。然后搅拌釜B的物料进入双螺杆挤出机，双螺杆
挤出机的温度为12(TC。经过计量泵、纺丝箱体、喷丝板挤出，进入纺丝甬道。纺丝甬道 长度为100厘米。纺丝甬道内通入二氧化碳，二氧化碳的温度为55。C。凝固成型后的纤维，进入干燥箱内进行干燥除去二甲苯。干燥箱内的温度为70'C。从 回收装置来的二氧化碳经过换热器加热到55'C后，分成16股，经过气体分布器，筛网， 从干燥箱底部吹入。干燥后的纤维，进入牵伸箱内进行热牵伸。牵伸箱内设有四台七辊牵伸机。牵伸机之 间设有牵伸热箱，温度逐级升高。牵伸机带有电加热功能，牵伸热辊加热到IIO'C。牵伸 完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型。最终制成高强度高模量的超高分子量聚乙烯纤维。纤维的强度达到25cN/dtex以上，模 量达到960cN/dtex以上。从纺丝甬道、干燥箱和牵伸工艺流出的含有二甲苯的废气，先经过换热器，降温到IO 'C，接着用压縮机将气体压縮后进入冷凝器冷凝，冷凝器温度为-3(TC。冷凝出来的液体 经过过滤器，由泵送回进料段，和补充的新鲜的二甲苯混合进入搅拌釜和超高分子量聚乙 烯、助剂等固体物料混合。从冷凝器出来的气体，进入活性炭纤维吸附分离装置进行分离， 分离出来的残留二甲苯，经过过滤器过滤后，也返回进料段。吸附分离装置净化的氮气， 经过换热器换热升温后进入纺丝甬道、干燥箱和牵伸箱内。实施例7将相对分子量500万的聚乙烯粉末和2。/。Irganox B220抗氧化剂，1%月桂醇醚磷酸酯 钾表面活性剂、0.5%CAB-O-SIL M-5P流动促进剂等助剂，和含有30%邻二甲苯、20%间 二甲苯、50。/。对二甲苯的混合溶剂加入搅拌釜A。聚乙烯物料的重量占总进料量的4.0%， 抗氧化剂含量占总量的2%，表面活性剂含量为1%，流动促进剂含量为0.5%。搅拌釜温 度保持在90。C，搅拌釜搅拌时间为20小时。然后物料进入搅拌釜B，继续加入聚乙烯粉 末，使聚乙烯物料占总物料量的10%,搅拌釜温度保持在95'C,搅拌20小时。然后搅拌 釜B的物料进入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的温度为120°C。经过计量泵、纺丝箱体、 喷丝板挤出，进入纺丝甬道。纺丝甬道长度为IOO厘米。纺丝甬道内通入二氧化碳，二氧 化碳的温度为60°C。凝固成型后的纤维，进入干燥箱内进行干燥除去二甲苯。干燥箱内的温度为7(TC。从 回收装置来的二氧化碳经过换热器加热到6(TC后，分成16股，经过气体分布器，筛网， 从干燥箱底部吹入。干燥后的纤维，进入牵伸箱内进行热牵伸。牵伸箱内设有四台七辊牵伸机。牵伸机之 间设有牵伸热箱，温度逐级升高。牵伸机带有电加热功能，牵伸热辊加热到ll(TC。牵伸 完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型。最终制成高强度高模量的超高分子量聚乙烯纤维。纤维的强度达到25cN/dtex以上，模 量达到960cN/dtex以上。从纺丝甬道、干燥箱和牵伸工艺流出的含有二甲苯的废气，先经过换热器，降温到io°C，接着用压縮机将气体压缩后进入冷凝器冷凝，冷凝器温度为-30'C。冷凝出来的液体经 过过滤器，由泵送回进料段，和补充的新鲜的二甲苯混合进入搅拌釜和超高分子量聚乙烯、 助剂等固体物料混合。从冷凝器出来的气体，进入活性炭纤维吸附分离装置进行分离，分 离出来的残留二甲苯，经过过滤器过滤后，也返回进料段。吸附分离装置净化的氮气，经 过换热器换热升温后进入纺丝甬道、千燥箱和牵伸箱内。实施例8将相对分子量500万的聚乙烯粉末和Irganox B220抗氧化剂等助剂，和含有30%邻二 甲苯、20%间二甲苯、50%对二甲苯的混合溶剂加入搅拌釜A。聚乙烯物料的重量占进料 量的0.5%，抗氧化剂含量占总含量的0.5%。搅拌釜温度保持在105'C，搅拌釜搅拌时间为 20小时。然后物料进入搅拌釜B，继续加入聚乙烯粉末，使聚乙烯物料占总物料量的10. 0%， 搅拌釜温度保持在11(TC，搅拌20小时。然后搅拌釜B的物料进入双螺杆挤出机，双螺杆 挤出机的温度为120°C。经过计量泵、纺丝箱体、喷丝板挤出，进入纺丝甬道。纺丝甬道 长度为100厘米。纺丝甬道内通入二氧化碳，二氧化碳的温度为55'C。凝固成型后的纤维，进入干燥箱内进行干燥除去二甲苯。干燥箱内的温度为70'C。从 回收装置来的二氧化碳经过换热器加热到55'C后，分成16股，经过气体分布器，筛网， 从干燥箱底部吹入。干燥后的纤维，进入牵伸箱内进行热牵伸。牵伸箱内设有四台七辊牵伸机。牵伸机之 间设有牵伸热箱，温度逐级升高。牵伸机带有电加热功能，牵伸热辊加热到ll(TC。牵伸 完成后的纤维在巻绕机上巻绕成型。最终制成高强度高模量的超高分子量聚乙烯纤维。纤维的强度达到25cN/dtex以上，模 量达到960cN/dtex以上。从纺丝甬道、干燥箱和牵伸工艺流出的含有二甲苯的废气，先经过换热器，降温到IO 'C，接着用压縮机将气体压縮后进入冷凝器冷凝，冷凝器温度为-3(TC。冷凝出来的液体 经过过滤器，由泵送回进料段，和补充的新鲜的二甲苯混合进入搅拌釜和超高分子量聚乙 烯、助剂等固体物料混合。从冷凝器出来的气体，进入活性炭纤维吸附分离装置进行分离， 分离出来的残留二甲苯，经过过滤器过滤后，也返回进料段。吸附分离装置净化的氮气， 经过换热器换热升温后进入纺丝甬道、干燥箱和牵伸箱内。
权利要求
1、一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法，其特征在于采用二甲苯为溶剂进行干法纺丝工艺，包括1)首先使二甲苯溶剂和超高分子量聚乙烯粉料、助剂充分混合溶解；2)溶解后的物料经过过滤、脱泡后通过螺杆挤出机挤出，经过计量泵和纺丝箱体、喷丝板喷出后，凝固成型；3)然后通过热气干燥除去纤维中的二甲苯后进行热牵伸，最终卷绕成成品。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤l)具体包括11) 将二甲苯溶剂、超高分子量聚乙烯粉料和助剂加入搅拌釜中进行初溶解，时间为 5~20小时，温度为90~130°C;所述各成分的重量占总量的百分数为超高分子量聚乙烯粉料的含量为0.5~5%，各种助剂的总含量不超过5%，其余为二甲苯溶剂；12) 初溶解后的物料进入第二个搅拌釜，再加超高分子量聚乙烯粉料，使超高分子量 聚乙烯的含量最终为1~10%，搅拌溶解，时间为5 25个小时，温度为85~130°C'。
3、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的溶剂二甲苯为间二甲苯，或者邻 二甲苯，或者对二甲苯，或者其中两种或者三种的混合物；所述的助剂为表面活性剂、抗 氧化剂、流动促进剂其中的一种或者几种的混合物。
4、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中的凝固成型采用凝固浴凝 固成型或冷却气体风冷冷凝成型。
5、 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用凝固浴凝固成型包括超高分子量聚乙烯溶液从喷丝板挤出后，经过长度为1~10厘米的气体段后进入凝固浴；气体段置于一个下端开口的纺丝甬道中，甬道的下端浸入纺丝凝固浴的液面以下，甬道的一侧设有气体入口，另一侧设有气体出口，温度为30 11(TC;丝条进入凝固浴后凝固成型，凝固 浴的温度为5~30°C 。
6、 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用冷却气体风冷冷凝成型包括溶液从喷丝板挤出后，经过长度为50~110厘米的一段纺丝甬道，经冷却气体吹扫降温后 凝固成塑；冷却气体的温度为30 10(TC，所述冷却气体为空气，或者氮气，或者二氧化碳 之一种。
7、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，述步骤3)的干燥处理为在密封罩内，除 去凝固成型后的初生纤维内部残存的二甲苯溶剂；该干燥气体为空气，或者氮气，或者二 ft化碳，干燥处理温度为30 110。C。
8、 如权利要求1所述方法，其特征在于所述步骤3)的热牵伸工段在密封罩中进行， 罩内充入氮气或者二氧化碳，温度为100~140°C，牵伸为为二级，或者三级，或者四级牵 伸；牵伸机为四辊牵伸机，或者七辊牵伸机。
9、 如权利要求l所述方法，其特征在于还包括从步骤2)、 3)排出的含有二甲苯 的废气，先通过换热器降温，然后通过左縮机加压，进入冷凝器冷凝出部分液体二甲苯， 分离出的二甲苯回进料段循环使用；从冷凝器排出的气体，进入膜分离或者吸附分离装置 进一步净化，分离出的二甲苯也回到步骤l)循环使用，净化后的气体经换热后进入干燥、 热牵伸和凝固成型阶段循环使用。经过换热器的气体温度不高于20'C，冷凝器的温度不高 于-5'C;吸附分离采用的吸附剂为活性炭、活性碳纤维。
全文摘要
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纤维制备的干法纺丝工艺方法，属于高分子材料制备技术领域。该方法包括首先使二甲苯溶剂和超高分子量聚乙烯粉料、助剂充分混合溶解；溶解后的物料经过过滤、脱泡后通过螺杆挤出机挤出，经过计量泵和纺丝箱体、喷丝板喷出后，凝固成型；然后通过热气干燥除去纤维中的二甲苯后进行热牵伸，最终卷绕成成品。本发明还包括干燥除去的二甲苯经过冷凝、吸附分离或者膜分离等方法与氮气或者二氧化碳分离后循环使用，分离出的氮气或者二氧化碳循环使用。
文档编号D01D5/04GK101148783SQ20071017704
公开日2008年3月26日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年11月9日
发明者尹晔东 申请人:北京特斯顿新材料技术发展有限公司