雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續溶解和解纏紡絲裝置的製作方法

2023-06-24 18:48:26 1

專利名稱：雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續溶解和解纏紡絲裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續溶解和解纏 紡絲裝置。
背景技術：
眾所周知，凝膠紡絲是目前工業化過程中最為成功的超高分子量柔性鏈紡絲 方法，它是將超高分子量的柔性鏈高聚物以較低的濃度溶解在溶劑中，製成溶 液的目的是利用溶劑在一定程度上拆散相互纏結在一起的超高分子量原料分 子，同時防止產生新的纏結，在增大體系流動性，提供體系可紡性的同時，提 供給凝膠絲合適的初生絲結構，以利用超倍後拉伸的展開，形成高結晶、高取 向的高強纖維結構形態。
超高分子量聚乙烯在溶劑中的溶解過程可分為二個階段溶脹和溶解。在溶 脹階段，主要表現為溶劑向超高分子量聚乙烯中滲透與擴散，它是溶解混勻的 關鍵。然而，溶脹是一個緩慢過程，原因在於高結晶的超高分子量聚合體阻礙 了溶劑的滲透。不適當的溶脹會導致在超高分子量聚乙烯顆粒表層形成一高粘 稠層，它即阻止溶劑向聚合體內不斷滲透和擴散，又妨礙溶解過程中聚體大分 子向溶劑中擴散，因此控制超高分子量聚乙烯的溶脹顯得尤為重要。
溶解是將一定量的超高分子量聚乙烯原料經加熱和較長時間保溫過程而造 成的熱分解。超高分子量聚乙烯在高溫與氧氣接觸宜發生熱氧化降解，導致分 子量急劇下降及色澤變黃，避免熱氧化降解的發生，是溶解過程中最主要的工 作之一。同時消泡和脫泡也是溶解過程中重要的一環，溶解結束後，紡絲原液 的粘度依然很高，紡絲原液中存在大量的氣泡，氣泡的存在會使紡出的凝膠絲 條成為氣泡絲，導致牽伸時絲條斷裂，無法得到性能合格的成品纖維，因此要 對紡絲原液進行脫泡。
美國Allied公司專利US4,413，110，日本可樂麗公司的JP.86-73743,中國專 利97106768為代表的現有技術中，多以雙螺杆為主要溶解擠出手段，這種方式 存在以下問題1、 雙螺杆脈動問題作為過去主要用於塑料行業的雙螺杆擠出機，雖然有良 好的混煉效果，但它所特有的脈動特點，在紡絲時壓力會產生脈動變化，從而 極大地影響紡絲的穩定性和紡絲質量的下降。
2、 高效經濟生產問題由於雙螺杆的不可能做的無限長，因而，若要提高產 量，就要加快速度或增加其他的輔助溶解手段，而加快速度，就會導致溶液在 螺杆中的停留時間縮短，導致溶解的不足，從而無法製造合格的初生絲。如果 降低溶解的速度，就會大大降低產量，無法實現經濟生產。增加其他的溶解手 段，也存在成本增加，控制困難等問題。
3、 混煉元件增加帶來的問題為保證物料能夠經高效混煉達到充分均一化， 必須增加捏合塊、反螺紋塊以及其他混煉元件的數量，使物料在雙螺杆擠出機 中的停留時間加長，但反螺紋塊數量加多會影響擠出機的輸出能力和機頭壓力， 更重要的是高分子量聚乙烯原料在螺杆中停留的時間過長，會導致降解過大和 顏色變黃，影響成品纖維的性能。
美國Allied公司專利US4,413，110(見圖1)，日本可樂麗公司的JP.86-73743
(見圖2)等專利均採用雙螺杆為溶解和擠出方式紡絲，為了彌補雙螺杆溶解的 不足，即料液在雙螺杆擠出機中的停留時間較為短暫，需增加雙螺旋混合器， 高速鼓式混合器，溶解槽等裝置，目的是加快溶解的均勻性和溶解效率，從而 獲得較大產能，實現經濟生產的目地。由於這些輔助的溶解措施，設備複雜， 成本高，難以連續進行，脫泡困難，經溶解後的溶液由於粘度非常大，輸送也 是很大的困難。
中國專利97106768 (見圖3)採用大長徑比的雙螺杆一次完成從懸浮液到 溶脹、均勻溶解、脫泡、擠出的方案，事實上工業生產過程中雙螺杆不可能制 造的特別長，而超高分子量聚乙烯在溶劑中的溶解過程可分為二個階段溶脹 和溶解。在溶脹階段，主要表現為溶劑向超高分子量聚乙烯中滲透與擴散，它 是溶解混勻的關鍵。然而，溶脹是一個緩慢過程，原因在於高結晶的超高分子 量聚合體阻礙了溶劑的滲透。如果混合液在螺杆中停留的時間短，則可能導致 溶脹溶解不足，無法製造高品質的初生絲，如果停留時間太長，則可能導致溶 液的氧化降解，同時也會極大地影響產量，無法達到經濟生產。 發明內容分子量聚乙烯均勻溶液的連續溶解和解纏 紡絲裝置，依此包括溶脹釜、超高分子量聚乙烯懸浮液儲存釜、平行同向雙螺 杆擠出機、溶體泵、噴絲板、冷凝池、絡筒裝置，其特徵在於在溶體泵和噴 絲板之間連接有單螺杆擠出機，溶體泵的輸出端連接單螺杆擠出機的輸入口， 單罈杆擠出機的輸出口連接噴絲板，平行同向雙螺杆擠出機中的雙螺杆為大長 徑比，單螺杆擠出機中的單螺杆為小長徑比，平行同向雙螺杆擠出機中的雙螺
杆為大長徑比為L/D-28 56，單螺杆擠出機中的單螺杆為小長徑比為170=7~15。
本實用新型的優點是採用了超高分子量聚乙烯在垸烴類溶劑中進行適度溶脹，
製得超高分子量聚乙烯的懸浮液，連續、定量地餵入雙螺杆擠出機中完成溶脹、
預溶解、脫泡過程，然後通過溶體泵餵入單螺杆擠出機，通過單螺杆擠出機進
行快速的溶解，然後加壓擠出，經過紡絲組件及冷卻，形成合格的絲條，從而
更為簡捷地實現連續製備均勻的紡絲溶液過程。


圖1——圖3為現有技術的結構示意圖， 圖4為本實用新型的結構示意圖，
下面結合實例對本實用新型作詳細說明。
具體實施方式

圖4中依此包括溶脹釜1、超高分子量聚乙烯懸浮液儲存釜2、平行同向雙螺杆擠 出機3、溶體泵4、噴絲板6、冷凝池7、絡筒裝置8，其特徵在於在溶體泵4和 噴絲板6之間連接有單螺杆擠出機5，溶體泵4的輸出端連接單螺杆擠出機5的輸 入口，單螺杆擠出機5的輸出口連接噴絲板6。平行同向雙螺杆擠出機3中的雙螺 杆為大長徑比，單螺杆擠出機5中的單螺杆為小長徑比。平行同向雙螺杆擠出機 3中的雙螺杆為大長徑比為170=28~56，單螺杆擠出機5中的單螺杆為小長徑比為 L/D=7~15。
由於本裝置採用大的長徑比的平行同向雙螺杆擠出機3和小的長徑比單螺 杆擠出機5進行組合，因而可以通過雙螺杆達到完成溶漲和預溶解及脫泡的目
的，然後以較快速度完成均勻的溶解和擠出，具體為(1)將超高分子量聚乙烯懸浮液呈均勻餵入平行同向雙螺杆擠出機3，餵 入口的溫度不宜過高，以防止餵入口的堵塞；雙螺杆螺紋塊的運動會使溶液不 斷產生很薄的界面，它對氣泡排除了提供了很好的條件，在雙螺杆的後部迅速 溶提高至解溫度，以利於超高分子量聚乙烯溶解所需的能量，使大分子能迅速 地擴散到溶劑中去；以便完成部分溶解，使溶體的粘度迅速提高，增大機頭與 輸入口的壓力差，使其大量的氣泡依靠前後的巨大的壓差，迅速自動向後通過 排氣裝置排出。
根據相關的專利數據表明當雙螺杆機頭壓力達到20kg/cr^以上，即使溶 液的粘度至5000c.p.，氣泡會自然地向壓力小的方向(餵入口)運動，並通過 螺紋與螺套之間的間隙從雙螺杆擠出機的餵入口排除，雙螺杆擠出機機頭之間 的諸多部位如過濾器、紡絲組建的壓降，適當提高雙螺杆擠出機的輸出壓力 至25 kg/ci^是必要的，將壓力控制在25—40 kg/cr^之間均能使紡絲得以順利 進行。
(2)通過單螺杆擠出機5進一步的快速溶解，利用單螺杆具有穩定壓力輸 出的特點，將得到良好解纏的溶體直接簡單地輸送到噴絲板，通過紡絲組件和 冷卻等裝置，可以使紡絲得以迅速順利進行。
本實用新型以下列實施例予以說明，但本實用新型的專利保護範圍不受實例條
件的局限。
實施例-
將重均分子量為3~5X 105的超高分子量聚乙烯,製得濃度為8%的超高分子 量聚乙烯的懸浮液。將此懸浮液的攪拌狀態下，定量加入到L/D-48，直徑O 108mm的平行同向雙螺杆擠出機3的加料漏鬥中，轉速為每分卯 250 r. p. m.， 經過雙螺杆溶脹、預溶解和脫泡。然後將所得淤漿通過熔體泵打入到L/D-15， 直徑①150的單螺杆擠出機5中，螺杆的轉速為60 90r.p.m.，再通過過濾器、 計量泵、紡絲組件，噴絲板為直徑1MM，孔數為240孔，紡絲位為8個，可以 實現每小時500 650公斤的連續、均勻得到透明、無氣泡的超高分子量聚乙烯 絲條。
將上述凍膠絲進行連續萃取，乾燥和超倍拉伸，可製得強度為25g/d的高強、 高模聚乙烯纖維。對照例h
按實施例製得的超高分子量聚乙烯懸浮液餵入不帶有本實用新型所指的雙螺杆 擠出機進行溶脹、脫泡和溶解擠出時(溶解條件與實施例基本相同)，從雙螺 杆擠出機的機頭模口吐出的絲條中可見此時超高分子量聚乙烯未能充分溶解， 表現為絲條粗細不均，驟冷之後所得凍膠絲條呈現極差的拉伸性能。調整各區 的溫度和捏和塊，反螺紋塊，降低螺杆的轉速，也可以製得基本符合質量標準 的纖維，但產量會降低至150 280公斤。
權利要求1、雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續溶解和解纏紡絲裝置，依此包括溶脹釜、超高分子量聚乙烯懸浮液儲存釜、平行同向雙螺杆擠出機、溶體泵、噴絲板、冷凝池、絡筒裝置，其特徵在於在溶體泵和噴絲板之間連接有單螺杆擠出機，溶體泵的輸出端連接單螺杆擠出機的輸入口，單螺杆擠出機的輸出口連接噴絲板。
2、 按權利要求l所述的雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續溶解和解纏紡 絲裝置，其特徵在於平行同向雙螺杆擠出機中的雙螺杆為大長徑比為L/D=28~56，單螺杆擠出機中的單螺杆為小長徑比為L/D-7 15。
專利摘要本實用新型涉及一種雙階式超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續溶解和解纏紡絲裝置。依此包括溶脹釜、超高分子量聚乙烯懸浮液儲存釜、平行同向雙螺杆擠出機、溶體泵、噴絲板、冷凝池、絡筒裝置，其特徵在於在溶體泵和噴絲板之間連接有單螺杆擠出機，溶體泵的輸出端連接單螺杆擠出機的輸入口，單螺杆擠出機的輸出口連接噴絲板，本實用新型的優點是採用了超高分子量聚乙烯在烷烴類溶劑中進行適度溶脹，製得超高分子量聚乙烯的懸浮液，連續、定量地餵入雙螺杆擠出機中完成溶脹、預溶解、脫泡過程，通過溶體泵餵入單螺杆擠出機，通過單螺杆擠出機進行快速的溶解，加壓擠出，經過紡絲組件及冷卻，形成合格絲條，從而更為簡捷地實現連續製備均勻的紡絲溶液過程。
文檔編號D01D13/00GK201372333SQ20092006701
公開日2009年12月30日 申請日期2009年1月15日 優先權日2009年1月15日
發明者劉華軒, 王惠芬, 新 陳 申請人:上海博迪紡織新材料有限公司;常州市恆力機械有限公司