提高超高分子量聚乙烯有色纤维性能的方法及纤维与流程

本发明属化学纤维
技术领域：
，具体涉及到超高分子量聚乙烯有色纤维。
背景技术：
：超高分子量聚乙烯纤维，又称为高强高模聚乙烯纤维，它是90年代初出现的高科技、高性能纤维，是当今世界三大高科技纤维之一，由于超高分子量聚乙稀纤维具有高结晶度和高度取向的伸直链结构，与碳纤维、芳纶纤维相比较，超高分子量聚乙稀纤维的强度更高；质量更轻，化学稳定性更好；具有很强的化学惰性，耐强酸、强碱溶液及有机溶剂；具有很好的耐候性，经1500h日晒后，纤维强度保持率仍然高达80％，耐紫外性能非常优越；耐低温性好，使用温度可以低至-150℃；之外，超高分子量聚乙稀纤维的耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能、抗切割性能也是现有高性能纤维中最强的。在安全、防护、航空、航天、国防装备、车辆制造、造船业、体育界发挥着举足轻重的作用。广泛用于绳索、渔网、钓鱼线、复合材料等领域。除此之外，超高分子量聚乙稀纤维在民用工业领域作为抗冲击、减震材料及高性能轻质复合材料也有着广阔的应用前景。高强高模聚乙烯纤维由于分子量极高，主链结合好，取向度、结晶度高，因此它的比强度是当今所有纤维之最.聚乙烯具有亚甲基(-ch2-ch2-)相连的大分子链的化学结构，超高分子量聚乙稀存在有大量无规线团的非晶区和折叠链的晶体结构。在超倍牵伸时，其大分子链的高度取向、使晶区及非晶区的大分子充分伸展，形成了高度结晶的伸直链超分子结构。这样的超分子结构决定了高强聚乙烯纤维的优越性能。在超高分子量聚乙烯有色纤维在生产过程中，超高分子量聚乙烯在溶剂中的溶解解缠形成均匀的冻胶溶液直接影响超高分子量聚乙烯纤维的性能。由于其溶解、解缠过程是在高温、高剪切的条件下进行，其大分子链在溶解过程中易发生断裂，造成超高分子量聚乙烯分子的降解，导致超高分子量聚乙烯纤维的性能降低；并且，超高分子量聚乙烯在溶剂中的溶解过程极为缓慢：超高分子量聚乙烯大分子链很长，不易移动，大分子间的作用力大，且分子间的缠结点多，大分子与溶剂小分子接触后仅有其中的某个结构单元被溶剂化后，但它仍是大分子链的一部分，牵制整条大分子的运动，只有当整条大分子所有单元全部被溶剂化后，才有可能作为一个整体从固相的表面脱落下来而进入溶剂形成均匀溶液。所以，溶剂在超高分子量聚乙烯纤维生产中发挥着重要的作用，并影响超高分子量聚乙烯纤维生产方法及其纤维制品的性能。同时超高分子量聚乙烯的分子无极性及结晶规整度使染料分子难以切入其中，纤维染色困难，目前生产的多是原色纤维。若在超高分子量聚乙烯粉末内直接混入无机颜料添加剂，颜料易团聚分散性差易造成染色不匀，做成产品后再染色由于聚乙稀的化学惰性色老度不高。虽然国内外关于超高分子量聚乙烯纤维的专利多达数百篇，但均侧重于超高分子量聚乙烯纤维的生产方法及相应设备方面，至今仍未发现关于超高分子量聚乙烯溶剂及有色纤维生产方法方面的专利。技术实现要素：本发明的目的是提供一种提高超高分子量聚乙烯有色纤维产品性能、降低超高分子量聚乙烯有色纤维产品生产成本的方法。在现有超高分子量聚乙烯有色纤维干法纺丝基础上，有效降低了超高分子量聚乙烯有色纤维生产成本，改进并提高了超高分子量聚乙烯有色纤维的品质。本发明提高超高分子量聚乙烯有色纤维产品性能的方法，其特征是所述有色纤维是由超高分子量聚乙烯树脂与干法纺丝良溶剂十氢萘、颜料形成的具备特性流体流变性能的混合纺丝原液，通过干法纺丝装置所制备的品质优异的超高分子量聚乙烯有色纤维。所述十氢萘，为其顺式和反式异构体的不同配比所形成的稳定有机溶剂，本发明所述为顺式十氢萘与反式十氢萘的体积（%v）比为0：1~1：0，优选1：9~3：7；超高分子量聚乙烯树脂在十氢萘溶剂及纺丝原料液制备系统中的溶胀时间为2-4h，优选2.5-3h（小时），溶胀温度为80℃~100℃，优选90℃~95℃；形成的纺丝原料液在双螺杆挤出机内溶解、塑化温度为120℃~190℃，优选148℃~168℃。原料液进入双螺杆挤出机，螺杆的长径比为15~60，优选25-~40，螺杆的转速60-150转/分钟，优选80-120转/分钟。前纺初生纤维通过差示扫描量热法谱图分析，其结晶度大于70%，纤维中残留溶剂质量含量小于2%。后纺成品纤维通过差示扫描量热法谱图分析，其结晶度大于90%，纤维纤维中残留溶剂小于100ppm。对比传统的干法纺丝生产超高分子量聚乙烯有色纤维，本发明所述可使传统工艺生产纤维的成本能耗降低15%以上。本发明制备的初生有色纤维，经高倍后牵伸的成品有色纤维，其强度大于40g/d，模量大于1700g/d的橙色系、棕色系、红色系的有色纤维。技术效果传统的超高分子量聚乙烯有色纤维生产方法在90℃~100℃的条件下溶胀至少4小时，然后将溶胀后的超高分子量聚乙烯悬浮液冷却至常温后送入双螺杆挤出机，在双螺杆强剪切力的作用下形成均匀的超高分子量聚乙烯溶液，而双螺杆的入口温度100℃~110℃，中间混炼溶解温度为120~170℃，出口溶液温度为155℃~165℃。本发明通过优选了原料溶剂使得超高分子量聚乙烯树脂在良溶剂中的溶胀时间从4小时缩短为最多2.5小时，溶胀温度降低了10~15℃，大大降低了溶胀过程中中压蒸汽的消耗；同时原料液在双螺杆中的溶解剪切温度也不同程度的降低了5~10℃，使得双螺杆中的入口温度为85℃~95℃，中间混炼溶解温度为115~155℃，出口溶液温度为145℃~149℃，有效降低了设备的电消耗，产品生产的综合能耗降低至少15%以上。附图说明图1、图2、图3为实例1-3分别对应的顺式、反式以及顺反比为4：6的十氢萘料液扭矩变化曲线图。图4、图5、图6为实例4-6分别对应的顺式、反式以及顺反比为4：6的十氢萘料液扭矩变化曲线图。具体实施方式以下通过具体实例及附图进一步阐述本发明。应理解，所列举的实例仅用于叙述本发明而不用于限制本发明的范围，并且在说明实例中未对通用纺丝设备如双螺杆挤出机、计量泵、喷丝板等进行限定，但不影响本发明所获得的有色纤维的制备。同时，在具体实施实例中所列举的工艺条件均为扩试装置至少72小时稳定运行过程中，产品性能达到或超过常规超高分子量聚乙烯纤维的产品性能时，所采用的工艺控制参数。此外应理解，在阅读本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落在本申请所附的权利要求限定的范围。颜料：heliogen蓝k6911fp/k7090fp、paliogen红k3580/k4180等，进口德国巴斯夫。测试分析设备仪器：dsc热分析仪sta449c（德国耐驰）、气相色谱680n（美国安捷伦）、haake转矩流变仪polylabos系统、高性能聚乙烯纤维干法纺丝装置。实例1称取11.25guhmwpe、0.08gbht抗氧剂和0.03g的红色颜料溶于：顺式含量大于98%的200ml十氢萘溶液中，将混合后的料液在95℃的条件下分别溶胀2h、3h、4h，溶胀时需低速搅拌；设定转矩流变仪测试温度为130℃、转速为80rpm，当转矩流变仪的温度和转速达到设定值后，称取50±0.5g溶胀后的料液加入流变仪的密炼室进行流变测试，数据分析结果如图1所示。实例2称取11.25guhmwpe、0.08g抗氧剂和0.03g的不同色系复配颜料，溶于：反式含量大于98%、的200ml十氢萘溶液中，将混合后的料液在95±2℃的条件下分别溶胀2h、3h、4h，溶胀时需低速搅拌；设定转矩流变仪测试温度为130℃、转速为80rpm，当转矩流变仪的温度和转速达到设定值后，称取50±0.5g溶胀后的料液加入流变仪的密炼室进行流变测试，数据分析结果如图2所示。实例3称取11.25guhmwpe、0.08g复配抗氧剂和一定量（0.03g~0.14g）的不同色系复配颜料，溶于：顺：反比为4：6的200ml十氢萘溶液中，将混合后的料液在95±2℃的条件下分别溶胀2h、3h、4h，溶胀时需低速搅拌；设定转矩流变仪测试温度为130℃、转速为80rpm，当转矩流变仪的温度和转速达到设定值后，称取50g溶胀后的料液加入流变仪的密炼室进行流变测试，数据分析结果如图3所示。实例1、2、3所得料液通过haake转矩流变仪密炼系统进行转矩测试，结果如图1、图2、图3所示（分别为顺式、反式以及顺反比为4：6的十氢萘料液扭矩变化曲线图），由图1、图2、图3所示数据结果可知，在相同溶胀温度下，uhmwpe在反式十氢萘溶剂中溶胀2h即可，但在顺式十氢萘溶剂中则需要溶胀3h以上。实例4称取11.25guhmwpe、0.08g复配抗氧剂和一定量（0.03g~0.14g）的不同色系复配颜料，溶于：顺式含量大于98%的200ml十氢萘溶液中，将混合后的料液分别在85℃~90℃和95℃~100℃的条件下，溶胀3h。溶胀时需低速搅拌；设定转矩流变仪测试温度为130℃、转速为80rpm，当转矩流变仪的温度和转速达到设定值后，称取50±0.5g溶胀后的料液加入流变仪的密炼室进行流变测试，实验分析结果如图4所示。实例5称取11.25guhmwpe、0.08g复配抗氧剂和一定量（0.03g~0.14g）的不同色系复配颜料，溶于：反式含量大于98%的200ml十氢萘溶液中，将混合后的料液分别在85℃~90℃和95℃~100℃的条件下，溶胀3h。溶胀时需低速搅拌；设定转矩流变仪测试温度为130℃、转速为80rpm，当转矩流变仪的温度和转速达到设定值后，称取50±0.5g溶胀后的料液加入流变仪的密炼室进行流变测试，实验分析结果如图5所示。实例6称取11.25guhmwpe、0.08g复配抗氧剂和一定量（0.03g~0.14g）的不同色系复配颜料，溶于：顺：反比为4：6的200ml十氢萘溶液中，将混合后的料液分别在85℃~90℃和95℃~100℃的条件下，溶胀3h。溶胀时需低速搅拌；设定转矩流变仪测试温度为130℃、转速为80rpm，当转矩流变仪的温度和转速达到设定值后，称取50±0.5g溶胀后的料液加入流变仪的密炼室进行流变测试，实验分析结果如图6所示。将按照实例4、5、6所得料液通过haake转矩流变仪polylabos系统与平行双螺杆挤出系统进行剪切溶解，对料液进行转矩测试，结果见图4、图5、图6分别为顺式、反式以及顺反比为4：6的十氢萘料液扭矩变化曲线图，从图4、图5、图6所示可得，同样的溶胀效果，反式十氢萘溶剂所需的温度低于顺式及顺反比为6：4的溶剂5~10℃，且反式溶剂的溶胀效果更好。实例7将含量大于98%顺式十氢萘溶剂、超高分子量聚乙烯树脂、助剂（含颜料、抗氧剂等）以20：1：0：0.005~5：1：0.02比例混合，在95℃的条件下溶胀4小时，然后将溶胀后的超高分子量聚乙烯有色悬浮液冷却至常温后送入双螺杆挤出机，双螺杆的入口温度85℃~95℃，中间混炼溶解温度为115~155℃，出口溶液温度为145℃~149℃，超高分子量聚乙烯在双螺杆强剪切力的作用下形成均匀的超高分子量聚乙烯溶液，然后经喷丝板挤出后喷头拉伸，经导丝辊送入热拉伸装置进行超倍拉伸，超倍拉伸倍数在10~30倍之间，拉伸温度在90℃~150℃之间，从而生产出超高分子量聚乙烯有色纤维编号为1#，性能指标检测结果如表1、表2所示。实例8将含量大于98%反式十氢萘溶剂、超高分子量聚乙烯树脂、助剂（含颜料、抗氧剂等）以20：1：0：0.005~5：1：0.02比例混合，在90℃的条件下溶胀2小时，然后将溶胀后的超高分子量聚乙烯有色悬浮液冷却至常温后送入双螺杆挤出机，双螺杆的入口温度95℃~100℃，中间混炼溶解温度为125~165℃，出口溶液温度为155℃~159℃，超高分子量聚乙烯在双螺杆强剪切力的作用下形成均匀的超高分子量聚乙烯溶液，然后经喷丝板挤出后喷头拉伸，经导丝辊送入热拉伸装置进行超倍拉伸，超倍拉伸倍数在10~30倍之间，拉伸温度在90℃~150℃之间，从而生产出超高分子量聚乙烯有色纤维编号为2#，性能指标检测结果如表1、表2所示。实例9将顺：反比为4：6的十氢萘溶剂、超高分子量聚乙烯树脂、助剂（含颜料、抗氧剂等）以20：1：0：0.005~5：1：0.02比例混合，在92℃的条件下溶胀3小时，然后将溶胀后的超高分子量聚乙烯有色悬浮液冷却至常温后送入双螺杆挤出机，双螺杆的入口温度90℃~95℃，中间混炼溶解温度为120~160℃，出口溶液温度为150℃~155℃，超高分子量聚乙烯在双螺杆强剪切力的作用下形成均匀的超高分子量聚乙烯溶液，然后经喷丝板挤出后喷头拉伸，经导丝辊送入热拉伸装置进行超倍拉伸，超倍拉伸倍数在10~30倍之间，拉伸温度在90℃~150℃之间，从而生产出超高分子量聚乙烯有色纤维编号为3#，性能指标检测结果如表1、表2所示。表1表2成品纤维力学性能1#2#3#纤度（dtex）152812851385断裂强度（cn/dtex）26.5231.8528.86断裂强度cv（cn/dtex）3.962.433.65模量（cn/dtex）98614831297当前第1页1 2 3 

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