一种低断头率高均匀性无溶剂高分子量聚乙烯纤维及其制备方法与流程

本发明属于聚乙烯纤维制备，具体涉及一种低断头率高均匀性无溶剂高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。

背景技术：

1、高分子量聚乙烯具备高强度、高模量、耐冲击、耐腐蚀、耐磨损等综合优异性能，广泛应用在防弹防护、航空航天、复合材料等领域。目前主流制备工艺为凝胶纺丝-超拉伸工艺。凝胶纺丝工艺借助有机溶剂溶胀溶解聚乙烯树脂粉体，降低体系黏度，减小加工难度，实现稳定可纺成型。。

2、凝胶纺丝过程中，有机溶剂在经历纺丝制备的挤出、冷却、拉伸等工艺中难以完全脱除，残留的有机溶剂会在纤维内部形成微孔、空洞以及界面缺陷结构，导致产品纤维尺寸均匀性差，力学性能离散度大；凝胶纺丝体系内同时存在解离分子链、未充分溶胀颗粒、局部凝胶团聚等缺陷，会造成凝胶熔体黏度不均、流变稳定性极差，喷丝挤出时熔体瞬时黏度起伏不定，熔体流量波动易产生毛丝、飘丝、粗细丝突变，导致纺丝断头频发。

3、无溶剂加工体系中，高分子量聚乙烯熔体黏度极高，剪切速率过低，粉体塑化不完全，造成混炼均匀性差；剪切速率过高则引发大分子键断裂降解，导致纤维力学性能下降，如何平衡熔融塑化效果与分子链降解是无溶剂聚乙烯纤维工艺亟需解决的问题。

4、专利cn109306541b公布了一种高强高模聚乙烯纤维的制备方法。该专利将重均分子量为60万～120万，由单活性中心催化剂聚合得到的聚乙烯原料与助剂进行共混；共混物经过螺杆挤出机挤出聚乙烯未拉伸粗丝；未拉伸粗丝冷却后进入热甬道进行高温多级拉伸；对多级拉伸后的聚乙烯纤维进行收卷，得到拉伸强度25cn/dtex以上，拉伸模量900cn/dtex以上的聚乙烯纤维。但该方法加工过程中产生的微量挥发组分、热降解副产物难以被充分脱除，熔体内易残留微小气泡，导致后续纺丝、拉伸纤维断头。

5、综上，针对现有无溶剂聚乙烯纺丝技术中，熔融塑化效果与分子链降解效果难以平衡导致成品纤维力学性能差的问题，以提升成品纤维力学性能为目的，提供一种低断头率高均匀性无溶剂高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低断头率高均匀性无溶剂高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，以解决背景技术中所提出的问题。

2、本发明的上述技术目的通过以下技术方案实现：一种低断头率高均匀性无溶剂高分子量聚乙烯纤维，所述的低断头率高均匀性无溶剂高分子量聚乙烯纤维满足以下参数：分子量为1.2×105~5.8×105，表观密度为0.36~0.62g/cm3，熔融温度为126℃~137℃。

3、一种所述低断头率高均匀性无溶剂高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括如下步骤：

4、s1：对线性聚乙烯树脂粉体经过压缩装置排除空气并进行负压抽气处理，采用低速搅拌分散，在n2环境下输送线性聚乙烯树脂粉体进入双螺杆挤出机；

5、s2：采用失重式喂料计量装置，将受阻酚类主抗氧化剂、亚磷酸酯类辅抗氧化剂输送至双螺杆挤出机前端预热区段；

6、s3：将过氧化二异丙苯引发剂、丙烯酸酯类多功能单体用侧喂料机输送至双螺杆挤出机熔融区段；双螺旋挤出机设置屏障段与弱剪切混炼段；挤出设备最高温度控制为210℃；

7、s4：熔体流经双螺杆挤出机多级真空通道，进行多级真空脱挥，处理后的熔体输送至脱挥釜、熔体泵、分级过滤器、计量泵输送至纺丝箱；

8、s5：纺丝箱恒温运行，箱内熔体由喷丝板的喷丝孔挤出形成连续凝胶态原丝，原丝进入冷却通道梯度冷却定型，冷却通道配置高精度红外测温反馈系统，冷却定型后的丝条经上油辊进行上油处理；

9、s6：丝束依次经过三段拉伸，一次预拉伸温度112℃~126℃，二次主拉伸温度128℃~134℃，三次拉伸温度132℃~137℃，总拉伸倍率为8~16倍，拉伸过程的张力波动范围控制在±2cn，制得成丝。

10、进一步的，所述双螺杆挤出机的螺杆沿物料运输方向依次装配输送元件、屏障元件、45°错列捏合块、60°错列捏合块；螺杆压缩比1.8~2.5，所述螺杆构成低剪切分布混合结构；所述熔体在双螺杆挤出机内停留时间为80~100s，螺杆转速180-240r/min；所述双螺杆末端集成多级串联真空脱挥系统。

11、输送元件推送粉体均匀进料、屏障原件延长粉体受热混炼时间，45°、60°错列捏合块采用拉伸流变主导、弱剪切辅助的混炼模式，对熔体持续压缩、拉伸、折叠，实现均匀混合。螺杆压缩比1.8~2.5，所述螺杆构成低剪切分布混合结构；所述熔体在双螺杆挤出机内停留时间为80~100s，螺杆转速180-240r/min等参数调控螺杆机械做功强度，使机械能平稳转化为可控黏性耗散热。

12、进一步的，s2中，所述低速搅拌分散的搅拌速率为30~50r/min，搅拌时间为3~5min。

13、进一步的，s3中，所述主抗氧化剂为n,n'-双(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酰)己二胺，辅抗氧化剂为硫代二丙酸双十二醇酯，两者配比为1：1.5~1:2；以所述线性聚乙烯树脂粉体总质量为基准，主抗氧化剂与辅抗氧化剂的总添加量为0.2wt%~0.6wt%。

14、受阻酚类主抗氧化剂捕捉自由基、终止氧化链式反应；硫代二丙酸双十二醇酯辅抗氧剂分解过氧化物，二者协同抑制熔体热氧化降解。

15、进一步的，s3中，过氧化二异丙苯的添加量为150~500ppm；以所述线性聚乙烯树脂粉体总质量为基准，丙烯酸酯类多功能单体添加量为0.2wt%~0.8wt%。

16、加入微量引发剂可控产生自由基，触发丙烯酸酯单体在聚乙烯分子表面微量接枝，增加分子链间相互作用力，改善高黏度熔体流变均匀性。

17、进一步的，s4中，所述真空脱挥系统负压由-0.05~-0.08mpa逐步提升至-0.1mpa。

18、加工产生的低分子挥发物和热降解副产物的沸点各不相同，低压可脱除挥发成分中的大分子，高压脱除微量难脱除小分子。

19、进一步的，s4中，所述分级过滤器采用多层复合滤网，滤网精度为200-300目。

20、进一步的，s5中，所述冷却通道沿丝条进行方向依次分为均相成核控制区、晶体取向生长区、结构锁定区三个冷却区间，各冷却区间的温度沿丝条进行方向逐渐降低。

21、进一步的，s5中，所述冷却通道中均相成核控制区温度128℃~135℃，冷却速率2-5℃/min，晶体取向生长区115℃~125℃，结构锁定区95℃~110℃，冷却风温波动区间控制在±1℃。

22、均相成核控制区、晶体取向生长区、结构锁定区三个冷却区间分别对应凝胶态原丝结晶成核、生长、定型三个阶段。凝胶原丝不同结晶阶段对冷却速率敏感度差异较大，分区独立控温可精准调控纤维微观晶体结构，使纤维内部结构高度均匀。

23、本发明的有益效果：

24、1. 本发明采用由输送元件、屏障元件、错列捏合块匹配组合的低剪切螺杆结构，本发明通过双螺杆挤出机运转过程中对熔体的适度剪切、挤压与摩擦作用，将机械剪切功平稳转化为热能，依托可控黏性耗散热实现熔体均匀塑化。该结构在低剪切、低温升的工艺条件下保障高分子聚乙烯熔体混炼均匀，大程度保全了聚乙烯长分子链结构完整性。

25、2. 本发明采用由低到高的阶梯式梯度负压脱挥工艺，分级脱除聚乙烯纺丝加工过程中产生的低分子挥发物和热降解副产物，有效消除熔体内部的微小气泡与杂质缺陷，大幅减少纤维成型后的内部空洞、结构瑕疵，使成品纤维的整体致密度、力学承载能力得到显著提升。

26、3. 本发明设置三段式梯度冷却区间，针对凝胶原丝的结晶特性匹配成核、晶体生长、定型三阶段的冷却需求，配置高精度红外测温反馈系统和风温控制，使丝条结晶行为精准可控，有效改善纤维内部晶体结构不匀的问题，提升产品纤维整体均匀性。

27、附表说明

28、表1为本发明实施例中各样品的性能对比表。