一种超高分子量聚乙烯纤维表面在线处理系统及工艺的制作方法

1.本发明涉及纤维表面处理技术领域，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯纤维表面在线处理系统及工艺。


背景技术：

2.超高分子量聚乙烯(uhmwpe)纤维又称高强高模聚乙烯(pe)纤维，由平均相对分子量在100万以上的pe纺制而成，是继碳纤维和芳纶纤维之后出现的又一种高强度、高模量的高性能纤维，uhmwpe与普通的pe具有相同的分子结构，主链链节均为(-ch2-ch2-)，但极高的分子量赋予uhmwpe纤维许多普通pe纤维所无法比拟的优异性能。除强度高以外，它还具有优异的耐冲击、耐化学腐蚀和自润滑等性能，其抗冲击性能在所有高分子塑料中为最高，并可长期在-160℃～ 80℃条件下工作，被称为“令人惊异”的工程塑料。因其优异的性能，uhmwpe纤维已被广泛用于纺织、化工、食品、农业、建筑、医疗、体育、军事国防和航空航天等领域，例如防护材料、高强绳索、复合材料、运动机械和防弹衣等。
3.但是由于uhmwpe纤维相对分子量较高，分子结构主要由亚甲基组成，基本无极性基团。同时纤维取向度也较高，分子排列规整，结晶度较高，这些原因都会造成纤维表面的涂覆、染色或化学改性较困难。目前，为了使纤维表面的涂覆、染色或化学改性更容易，往往是对成型的uhmwpe纤维进行改性处理。常用的改性方法主要包括等离子体改性、辐照接枝改性、偶联剂改性、接枝表面染色改性等，通过对纤维表面改性处里后使纤维表面层活化。
4.如公开号为cn101532239a的专利公开了一种等离子体处理纳米溶胶超高分子量聚乙烯纤维改性的方法，该方法包括：(1)将无机纳米颗粒经超声波震荡技术配制成溶胶液；或(2)将有机无机纳米颗粒的先驱液与无机纳米颗粒经杂化反应制得溶胶液；(3)将上述溶胶液涂覆在超高分子量聚乙烯纤维表面；(4)在10～150℃将超高分子量聚乙烯纤维烘干并收集溶剂，然后超高分子量聚乙烯纤维经等离子发生装置被引入等离子体氛围区进行等离子体表面改性；将处理后的超高分子量聚乙烯纤维在自动收卷机中进行在线收卷。
5.如公开号为cn108395675a的专利公开了一种新的单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料制备方法。本发明以超高分子量聚乙烯纤维为原料，单宁酸-nacl-tris混合溶液为改性剂。通过将超高分子量聚乙烯纤维在单宁酸-nacl-tris溶液中浸泡，通过螯合作用将单宁酸和na 反应，形成ta-na ；再通过静电力、共价键和非共价键作用，使其在超高分子量聚乙烯纤维表面形成涂层，经过单宁酸涂覆以后，超高分子量聚乙烯纤维与树脂基体的粘结能力提高，所得到复合材料力学性能增强。
6.因此，目前的纤维表面处理通常是将成型的uhmwpe纤维下线后通过浸泡或涂覆的方式对纤维表面进行改性处理，涂覆或浸泡的材料成本高，往往对工艺条件要求较高，难以掌控，操作工序复杂，表面处理的效率低，难以达到工业化生产的程度。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超高分子量聚乙烯纤维表面在线处理
系统及工艺，实现了纤维在线的表面处理，操作工序简单，工艺条件易控，工艺成本低，提高了纤维表面处理的效率。
8.为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述超高分子量聚乙烯纤维表面在线处理系统，包括依次相连的纤维成型系统、纤维表面处理装置ⅰ、纤维表面处理装置ⅱ和收卷装置，所述纤维表面处理装置ⅰ包括依次相连的纤维表面酸洗装置和纤维表面清洗装置。
9.所述纤维成型系统包括依次相连的螺杆挤出机、纤维骤冷设备和纤维超倍拉伸设备；所述纤维表面酸洗装置包括浸没原生纤维的酸洗水槽及与之相连的温度控制系统和ph控制系统。
10.所述温度控制系统包括设置在所述酸洗水槽内用于检测酸液温度的温度传感器和用于对酸液加热的加热盘管ⅰ，所述温度传感器通过温控器与所述加热盘管ⅰ相连。
11.所述酸洗水槽底部还设置有多个超声波振板。
12.所述ph控制系统包括浓缩酸液储槽和浓缩酸液提取装置，所述浓缩酸液储槽通过酸液进液管与所述酸洗水槽的入口相连，所述酸液进液管与抽液泵相连，所述酸液进液管内安装有进液阀，所述浓缩酸液提取装置通过酸液出液管与所述酸洗水槽的出口相连，所述酸液出液管内安装有排液阀，所述浓缩酸液提取装置通过离心泵与所述浓缩酸液储槽相连；所述浓缩酸液提取装置的底部与脱盐过滤装置循环相连。
13.所述ph控制系统还包括安装在所述酸洗水槽内用于检测酸液ph值的ph计ⅰ，所述ph计ⅰ通过plc控制单元与所述排液阀、进液阀、抽液泵和浓缩酸液提取装置相连。
14.所述浓缩酸液提取装置包括酸液脱水罐，所述酸液脱水罐的底部设置有加热盘管ⅱ，所述酸液脱水罐的上部由上而下依次设置冷凝盘管和冷凝水接收槽，所述冷凝水接收槽与排水泵相连。
15.所述酸液脱水罐内还设置有用于检测内部酸液混合液的ph值的ph计ⅱ，所述ph计ⅱ通过plc控制单元与所述离心泵相连。
16.一种超高分子量聚乙烯纤维表面在线处理工艺，运用所述的超高分子量聚乙烯纤维表面在线处理系统，包括以下步骤：
17.步骤1：制备纺丝原液：将50～100重量份的超高分子量聚乙烯粉末在80～110℃下溶于500～1000重量份的溶剂中；加入0.1～1重量份的抗氧剂、0.1～1重量份的小料助剂和0.1～1重量份的可被酸溶解但耐高温耐水及耐有机溶剂的固体粉末，在80～120℃的常压下搅拌均匀后制备纺丝原液；
18.步骤2：制备原生纤维：纺丝原液螺杆挤出后在0～10℃下骤冷处理形成冻胶原丝，冻胶原丝通过干、湿法超倍拉伸得到原生纤维；
19.步骤3：对原生纤维进行酸洗：原生纤维以20～60m/min的速度导入10～50℃和ph为1～3的酸洗水槽中进行酸洗，使原生纤维表面被酸液溶解形成凹坑结构；
20.步骤4：对酸洗后的原生纤维进行清洗：经过酸洗的原生纤维进入纤维表面清洗装置后清洗表面残留的酸液；
21.步骤5：清洗后的原生纤维进行表面改性或涂覆处理后收卷。
22.所述溶剂包括十氢萘、白油、煤油、矿物油中的一种；所述抗氧剂包括168型、1010型、1076型、b225复配型、b900复配型中的一种；所述小料助剂包括阻燃剂、乳化剂、成核剂，
重量份分别为0.05-0.1、0.05-0.1、0.05-0.1；所述固体粉末包括碳酸钙、碳酸盐、金属氧化物中的一种，所述固体粉末的粒径为0.1～5um；所述酸洗水槽中的酸液成分为稀硫酸、柠檬酸、磷酸中的一种。
23.本发明的有益效果是：
24.1、本发明通过在纺丝原料中添加可被酸溶解但耐高温耐水及有机溶剂的固体粉末后经过熔融挤出、骤冷处理和超倍拉伸得到可被酸液侵蚀的原生纤维，原生纤维导入酸洗水槽中进行酸洗，使原生纤维表面与酸液反应形成表面凹坑，经过清洗后得到具有一定粗糙度的原生纤维，提高了纤维表面的粗糙度，增加纤维比表面积，使纤维表面的涂覆和化学接枝改性更容易，整个操作工艺简单易控，提高了纤维表面处理的效率。
25.2、本发明通过将纤维表面酸洗装置的酸洗水槽与温度控制系统和ph控制系统相连，其中的温度控制系统通过温度传感器实时监测酸洗水槽内酸液的温度，通过温控器控制加热盘管ⅰ的发热功率，从而可使酸洗水槽内的酸液处于恒定的温度范围；其中的ph控制系统是通过ph计ⅰ实时监测酸液的ph值，当酸液的ph值小于某一值时，可将酸洗水槽内的酸液排入浓缩酸液提取装置内进行处理得到达到一定ph值的浓缩酸液，将提取的浓缩酸液导入浓缩酸液储槽中后循环流入酸洗水槽内，以维持酸洗水槽内酸液的ph平衡。本发明通过控制酸洗水槽内酸液的温度和ph值使之维持在一定范围内，可保证原生纤维表面侵蚀反应的均匀性，保证了纤维表面粗糙度的均匀性，使纤维表面在涂覆和化学改性后性能更稳定。
附图说明
26.下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
27.图1为本发明的结构示意图；
28.图2为本发明中纤维表面酸洗装置的结构示意图；
29.上述图中的标记均为：1.纤维成型系统，11.螺杆挤出机，12.纤维骤冷设备，13.纤维超倍拉伸设备，2.纤维表面酸洗装置，21.酸洗水槽，22.加热盘管ⅰ，23.超声波振板，24.浓缩酸液储槽，25.浓缩酸液提取装置，251.酸液脱水罐，252.加热盘管ⅱ，253.冷凝盘管，254.冷凝水接收槽，26.抽液泵，27.离心泵，28.脱盐过滤装置，3.纤维表面清洗装置，4.纤维表面处理装置ⅱ，5.收卷装置。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本
领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.本发明的具体实施方案为：如图1和图2所示，本发明提供了一种超高分子量聚乙烯纤维表面在线处理系统，包括依次相连的纤维成型系统1、纤维表面处理装置ⅰ、纤维表面处理装置ⅱ4和收卷装置5。其中的纤维成型系统1包括依次相连的螺杆挤出机11、纤维骤冷设备12和纤维超倍拉伸设备13，该纤维超倍拉伸设备13包括干法超倍拉伸设备或湿法超倍拉伸设备，其中的干法超倍拉伸设备和湿法超倍拉伸设备为现有的设备，干法超倍拉伸设备的处理工序包括预拉伸、干燥和超倍拉伸等工序，湿法超倍拉伸设备的处理工序包括预拉伸、萃取、干燥和超倍拉伸等工序，根据需要可选择干法超倍拉伸设备或湿法超倍拉伸设备进行处理。在纺丝原料中添加可被酸溶解但耐高温耐水及有机溶剂的固体粉末后经过螺杆挤出机11熔融挤出、纤维骤冷处理和超倍拉伸得到可被酸液侵蚀的原生纤维。其中的纤维表面处理装置ⅰ包括依次相连的纤维表面酸洗装置2和纤维表面清洗装置3，使形成的原生纤维经过纤维表面酸洗装置2进行酸液的表面侵蚀，使原生纤维表面与酸液反应形成表面凹坑，经过纤维表面清洗装置3对纤维清洗后得到具有一定粗糙度的原生纤维。其中的纤维表面处理装置ⅱ4可设置为表面涂覆装置或化学改性装置，其中的表面涂覆装置和化学改性装置均为纤维表面处理中常用的装置，关于上述装置的具体结构此处不再赘述。具有一定粗糙度的原生纤维经过纤维表面处理装置ⅱ4后，使纤维表面的涂覆和化学改性更容易。整个操作工艺简单易控，提高了纤维表面处理的效率。
34.具体地，其中的纤维表面酸洗装置2包括浸没原生纤维的酸洗水槽21及与之相连的温度控制系统和ph控制系统，其中的酸洗水槽21为密封式的结构，在温度控制系统的作用下可保证水槽内酸液的温度在恒定的范围内，其中的酸洗水槽21顶部安装有排风机，可及时排除酸洗水槽21内纤维与酸液反应产生的气体，以免影响酸洗水槽21内酸液的ph值。其中的温度控制系统包括设置在酸洗水槽21内用于检测酸液温度的温度传感器和用于对酸液加热的加热盘管ⅰ22，温度传感器通过温控器与加热盘管ⅰ22相连，通过温度传感器实时监测酸洗水槽21内酸液的温度，通过温控器控制加热盘管ⅰ22的发热功率，从而可使酸洗水槽21内的酸液处于恒定的温度范围，保证了纤维酸洗以增加纤维表面粗糙度所需的工艺温度，若温度过高，会使纤维表面发生过侵蚀，会影响纤维的强度，若温度过低，会使纤维表面侵蚀不足，使纤维表面的粗糙度变化不大，使纤维表面的结合强度不足。另外，为了使酸洗侵蚀更充分、均匀，在酸洗水槽21底部还设置有多个超声波振板23。
35.其中的ph控制系统包括浓缩酸液储槽24和浓缩酸液提取装置25，其中的浓缩酸液储槽24通过酸液进液管与酸洗水槽21的入口相连，酸液进液管伸入浓缩酸液储槽24的底部，酸液进液管与抽液泵26相连，通过抽液泵26将浓缩酸液储槽24内的浓缩酸液导入酸洗水槽21内，该酸液进液管内安装有进液阀，用于打开或关闭向酸洗水槽21提供浓缩酸液的通道。其中的浓缩酸液提取装置25通过酸液出液管与酸洗水槽21的出口相连，酸液出液管内安装有排液阀，用于打开或关闭向浓缩酸液提取装置25内排入混合酸液的通道，该浓缩酸液提取装置25通过离心泵27与浓缩酸液储槽24相连，可将提取的浓缩酸液导入浓缩酸液储槽24内储存。
36.由于在酸洗水槽21内，原生纤维表面与酸液反应，使酸液中混杂有盐溶液，随着酸洗的进行，酸液的ph会升高，当超过设定的ph值时，需要将混合酸液排入浓缩酸液提取装置25中进行蒸馏提纯，混合酸液中的盐随着蒸馏的进行会达到其饱和度后析出，其中的浓缩
酸液提取装置25的底部通过循环泵与脱盐过滤装置28循环相连，通过脱盐过滤装置28将混合酸液中析出的盐过滤后重新通入浓缩酸液提取装置25内进一步蒸馏提取。其中的脱盐过滤装置28包括过滤仓，过滤仓内安装有过滤框架，过滤框架上设置有多个安装位，每个安装位处插接有过滤板，过滤板上安装滤网，且过滤仓内多个过滤板上的滤网目数沿着混合酸液的流动方向逐渐增大，使混合酸液中的析出的盐和其他固体大颗粒逐级过滤，提高了过滤的效果。其中的滤网可定期拆卸清理以保证脱盐的效果。
37.该ph控制系统还包括安装在酸洗水槽21内用于检测酸液ph值的ph计ⅰ，ph计ⅰ通过plc控制单元与排液阀、进液阀、抽液泵26和浓缩酸液提取装置25相连，当ph计ⅰ检测酸洗水槽21内的酸液ph大于设定的值时，说明纤维表面与酸液反应产物过多，plc控制单元控制排液阀、进液阀和抽液泵26打开，使酸洗水槽21内的混合酸液排出到浓缩酸液提取装置25中进行提纯后导入浓缩酸液储槽24中，同时使浓缩酸液储槽24中原有的浓缩酸液通入酸洗水槽21内及时补充浓缩酸液，以动态调节酸洗水槽21内酸液的ph值在恒定的范围。
38.其中的浓缩酸液提取装置25包括酸液脱水罐251，酸液脱水罐251的底部设置有加热盘管ⅱ252，用于对导入其中的混合酸液加热，使酸液中的水分被蒸发，酸液脱水罐251的上部由上而下依次设置冷凝盘管253和冷凝水接收槽254，其中的冷凝盘管253和冷凝水接收槽254均设置为环形结构，其中部设置有供水蒸气通过的通道，其中的冷凝水接收槽254与排水泵相连，水蒸气向上接触冷凝盘管253后变成冷凝水，冷凝水下落到冷凝水接收槽254内储存，再通过排水泵外排。
39.其中的酸液脱水罐251内还设置有用于检测内部酸液混合液的ph值的ph计ⅱ，ph计ⅱ通过plc控制单元与离心泵27相连，当ph计ⅱ检测的酸液混合液的ph值达到设定的值后，plc控制单元控制离心泵27启动，将酸液脱水罐251内的酸液导入浓缩酸液储槽24内储存。
40.具体地，其中的纤维表面清洗装置3包括清洗水槽，其中的清洗水槽内可通入清水或弱碱液，该弱碱液可设置为碳酸钠溶液，也可以是不挥发且易溶于水的强碱弱酸盐或弱碱溶液，弱碱液的ph值为7-9。
41.运用上述在线处理系统的超高分子量聚乙烯纤维表面在线处理工艺，包括以下步骤：
42.步骤1：制备纺丝原液：将50～100重量份的超高分子量聚乙烯粉末在80～110℃下溶于500～1000重量份的溶剂中，该溶剂包括十氢萘、白油、煤油、矿物油中的一种；加入0.1～1重量份的抗氧剂(包括168型、1010型、1076型、b225复配型、b900复配型中的一种)、0.1～1重量份的小料助剂(包括阻燃剂、乳化剂、成核剂，重量份分别为0.05-0.1、0.05-0.1、0.05-0.1)和0.1～1重量份的可被酸溶解但耐高温耐水及耐有机溶剂的固体粉末，固体粉末包括碳酸钙、碳酸盐、金属氧化物中的一种，该固体粉末的粒径为0.1～5um，在80～120℃的常压下搅拌均匀后制备纺丝原液。
43.步骤2：制备原生纤维：纺丝原液经螺杆挤出机11螺杆挤出后在纤维骤冷设备12中以0～10℃下骤冷处理形成冻胶原丝，冻胶原丝经纤维超倍拉伸设备13的干法超倍拉伸(包括预拉伸、干燥、超倍拉伸等工序)或湿法超倍拉伸(包括预拉伸、萃取、干燥、超倍拉伸等工序)后得到原生纤维。其中的干、湿法超倍拉伸工艺为现有的工艺步骤，此处再不再赘述。
44.步骤3：对原生纤维进行酸洗：原生纤维以20～60m/min的速度导入温度为10～50
℃的酸洗水槽21中进行酸洗，酸洗水槽21中的酸液成分为稀硫酸、柠檬酸、磷酸中的一种，酸液的ph值为1～3，使原生纤维表面被酸液溶解形成均匀的凹坑结构。
45.步骤4：对酸洗后的原生纤维进行清洗：经过酸洗的原生纤维进入纤维表面清洗装置3后清洗表面残留的酸液。
46.步骤5：清洗后的原生纤维进行表面改性或涂覆处理后收卷。
47.通过以下实施例对本发明的处理工艺做具体阐述。
48.实施例1
49.步骤1：将100重量份的超高分子量聚乙烯粉末在110℃下溶于1000重量份的白油溶剂中，加入0.5重量份的168型抗氧剂、0.3重量份的小料助剂(阻燃剂、乳化剂、成核剂，它们之间的重量占比分别为50％、20％、30％)和0.5重量份的碳酸钙粉末，该碳酸钙粉末的粒径为1-5um，在100～110℃的常压下搅拌均匀后制备纺丝原液。
50.步骤2：纺丝原液经螺杆挤出机11螺杆挤出后在纤维骤冷设备12中以5～8℃下骤冷处理形成冻胶原丝，冻胶原丝经纤维超倍拉伸设备13的干、湿法超倍拉伸后得到原生纤维。
51.步骤3：原生纤维以40m/min的速度导入温度为50℃的酸洗水槽21中进行酸洗，酸洗水槽21中的酸液成分为稀硫酸，酸液的ph值为1～2，使原生纤维表面被酸液溶解形成均匀的凹坑结构。
52.步骤4：经过酸洗的原生纤维进入纤维表面清洗装置3后清洗表面残留的酸液。
53.步骤5：清洗后的原生纤维进行表面涂覆一层厚度为0.1～1um的染料后收卷。
54.通过上述处理工艺对纤维表面处理后，选取卷料中的3组样品进行性能测试，包括纤维强度测试和色牢度测试，其中的色牢度测试用以表征纤维表面的处理效果。其中的纤维强度测试根据《高强化纤长丝拉伸性能试验方法(gb/t19975-2005)》的试验方法规定，对纤维进行拉伸测试，预加张力为1n，起始拉力值为5n，拉伸速度为250mm/min，测试温度为20℃，相对湿度为60％。其中的色牢度测试按照gb/t3920-2008的规定使用色牢仪进行摩擦测试。得到的测试结果如下：
[0055][0056]
实施例2
[0057]
与实施例1的不同之处在于，在制备纺丝原液时，加入的碳酸钙粉末的重量份为1。
按照实施例1的测试方法对得到的纤维样品进行测试，得到的测试结果如下：
[0058][0059]
实施例3
[0060]
与实施例1的不同之处在于，在步骤3中，原生纤维通过酸洗水槽21的速度不同，原生纤维以60m/min的速度导入酸洗水槽21中进行酸洗。按照实施例1的测试方法对得到的纤维样品进行测试，得到的测试结果如下：
[0061][0062]
实施例4
[0063]
与实施例1的不同之处在于，酸洗水槽21内酸液的温度为30℃。按照实施例1的测试方法对得到的纤维样品进行测试，得到的测试结果如下：
[0064][0065]
实施例5
[0066]
与实施例1的不同之处在于，酸洗水槽21内酸液的ph为2～3。按照实施例1的测试方法对得到的纤维样品进行测试，得到的测试结果如下：
[0067][0068]
因此，通过对比以上实施例1和实施例2可得，碳酸钙的添加量既影响纤维成型的强度又影响色牢度，即影响纤维的表面处理效果。具体表现为：在要求的范围内，随着碳酸钙添加量的增加，纤维的断裂强度、断裂伸长率、断裂模量下降，即影响纤维的力学性能；而色牢度逐渐提升，即有利于提升纤维的表面处理效果。
[0069]
通过对比实施例1和实施例3、4、5可得，原生纤维通过酸洗水槽21的速度、酸洗水槽21内酸液的温度、酸洗水槽21内酸液的ph的大小对纤维的强度影响不大，对色牢度即表面处理效果影响较大。具体表现为：在要求范围内，原生纤维通过酸洗水槽的速度越快、酸洗水槽内酸液的温度越低、酸液的ph越大，色牢度越差，即表面处理效果越差。
[0070]
综上，本发明实现了纤维在线的表面处理，操作工序简单，工艺条件易控，工艺成本低，提高了纤维表面处理的效率。
[0071]
以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均
属于本发明所申请的专利范围。