CN102797089A - 单丝状超高分子量聚乙烯纤维及其连续制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了单丝状超高分子量聚乙烯纤维及其连续制备方法，它是由50-570根超高分子量聚乙烯纤维并排粘结为一体，外壁上涂覆有基体树脂层。它包括以下步骤制成：（1）选材：选用超高分子量聚乙烯纤维50-570根；（2）纤维表面处理；（3）纤维加捻制成单股束状；（4）纤维均匀张力、去除静电；（5）上胶；（6）热定型；成为单丝状超高分子量聚乙烯纤维，最后卷绕成卷。该单丝状超高分子量聚乙烯纤维及其连续制备方法，在基本不影响纤维强力性能的前提下，极大提高纤维耐磨性，可大大延长纤维使用寿命，不需要复杂专用设备，造价低廉；可广泛地使用于工业、国防、体育、海洋等各个领域。

Description

单丝状超高分子量聚乙烯纤维及其连续制备方法
 
技术领域
    本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维制备技术领域，具体地说是一种单丝状超高分子量聚乙烯纤维及其连续制备方法。
背景技术
聚乙烯纤维、绳索材料以其良好的抗拉强度、抗冲击性、柔韧性，以及比重小、滤水性强、表面光滑等良好的渔用性能，广泛应用于绳网业、海洋和内陆水域拖网捕捞、网箱、围拦网养殖及钓鱼线制作生产。
传统的聚乙烯单丝是以高密度聚乙烯为原料，经塑料挤出机熔融挤出并经喷丝板喷出、冷却得到初生丝，然后将初生丝在一定温度下进行热拉伸制成。中国水产科学研究院东海水产研究所于2003年8月25日提交的中国专利申请《聚乙烯单丝高温高倍牵伸工艺方法》，申请号为03150536.8中所述的一种聚乙烯单丝高温高倍牵伸工艺方法，其特征是将高密度聚乙烯原料用长径比为25:1的单螺杆挤出机熔融，配用长径比8:1的喷丝板制成初生丝；初生丝以乙二醇为牵伸加热介质，将加热介质温度控制在112℃-124℃的范围内，牵伸12.6-15.7倍后，采用气流法快速冷却、收卷聚乙烯单丝。制得的聚乙烯单丝直径为0.19-0.21mm，断裂强度和结节强度分别达到6.8-8.5cN/dtex和4.3-4.7 cN/dtex。
随着科学技术的发展，对渔用纤维、绳索材料的性能，尤其是力学强度有了更高的要求。高强度的纤维、绳索材料对减少网具材料用量、节约原材料、降低拖网的作业阻力以及网箱、围拦网的水动阻力，提高网具的滤水性能，提高渔业生产效率、渔获质量和降低生产成本具有极其重要的作用。超高分子量聚乙烯纤维是当今世界三大高性能纤维（碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维）之一。超高分子量聚乙烯纤维具有质轻、高强、高模、断裂伸长低、挠曲寿命长、耐冲击、低导电性、高防水性等优良性能；还具有很强的吸收能量的能力、突出的抗冲击和抗切割韧性；摩擦系数比其他高强度纤维低，耐磨性好，能抗紫外线和耐各种化学腐蚀；也是唯一能够漂浮在水面上的高性能纤维，使超高分子量聚乙烯纤维被广泛应用于安全防护、航空航天、体育用品、生物材料等领域，尤其适用于海洋工程用绳，如超级油轮、近海采油平台、灯塔的固定锚绳等。在渔业工程领域，用超高分子量聚乙烯纤维加工成渔网重量比普通聚乙烯纤维渔网轻50%以上，或同样重量的纤维可制造更大尺寸的网具，进行捕捞作业时，可增加捕捞量、减轻网重，并减少拖网的水阻，从而能提高拖速和降低渔船的能耗。此外，超高分子量聚乙烯纤维在制作高档钓鱼线和球拍弦方面也具有明显的优势。随着大型远洋中层拖网、金枪鱼延绳钓、金枪鱼围网及深水抗风浪网箱等现代渔业的发展，超高分子量聚乙烯纤维在我国渔业中也将会逐步得到推广应用。
超高分子量聚乙烯纤维通常是采用冻胶纺丝-超拉伸工艺制备而成的复丝纤维，集束性较差，用于绳网、渔具线绳制造过程中很难保持束丝中各单纤维及各股束丝间的张力平衡，从而在制绳过程中强力有较大损失，结节稳定性和结节强度也较低。东华大学于2010年6月23日提交的中国专利申请《一种超高分子量聚乙烯单丝的制备方法》，申请号为201010207623.8中所述的一种超高分子量聚乙烯单丝的制备方法，其特征在于，将重均分子量为100-700万的聚乙烯粉末溶解于白油中，配制成10-25wt%的纺丝溶液，在250-330℃的纺丝温度下经孔径为5.5-8mm的圆形喷丝孔喷出，进入零下10℃-零下1℃的凝固浴中骤冷成冻胶纤维，在凝固浴中停留1-2分钟后出凝固浴，然后经萃取、干燥、热拉伸制得聚乙烯单丝。制得的聚乙烯单丝直径为0.1-0.5mm，单丝断裂强力为2.5-40kg。然而，上述超高分子量聚乙烯单丝虽然解决了超高分子量聚乙烯纤维集束性差的问题，但在物理性能特别是纤维断裂强度上效果不是很理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集束性较好、高断裂强力、抗耐磨的单丝状超高分子量聚乙烯纤维。
该单丝状超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：它是由50-570根超高分子量聚乙烯纤维并排粘结为一体，外壁上涂覆有基体树脂层。
所述的基体树脂层，由基体树脂制成。
本发明的另一个目的在于提供一种上述单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：该单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法，其特征在于：它包括以下步骤制成：
（1）、选材：选用超高分子量聚乙烯纤维50-570根，纤维规格为200D-2400D，强力≥32g/D；
（2）、纤维表面处理：对超高分子量聚乙烯纤维进行常压低温等离子体表面处理；所述的常压为86～106kPa；所述的低温为-10℃～+40℃；
（3）、纤维加捻制成单股束状：将已进行常压低温等离子表面处理的超高分子量聚乙烯纤维经加捻机进行加捻，捻数为每米在20-100个捻，加捻类型为S捻或Z捻；
（4）、纤维均匀张力、去除静电：将已均匀加捻的超高分子量聚乙烯纤维的单股束均匀张力、去除静电；
（5）、上胶：将上述的超高分子量聚乙烯纤维的单股束经七辊牵伸机以5-20m/min速度，通过上胶机用已配制好的基体树脂对超高分子量聚乙烯纤维的单股束进行上胶，上胶时间为0.8-1.3s；
（6）、热定型：将上胶后的超高分子量聚乙烯纤维的单股束经过热箱烘干定型后，成为单丝状超高分子量聚乙烯纤维，最后卷绕成卷，热箱烘干定型温度为80-130℃之间，烘干停留时间为1-4min。
所述的基体树脂，为聚氨脂树脂、聚乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂，基体树脂溶液的浓度为35%-80%。
所述的单丝状超高分子量聚乙烯纤维中基体树脂的质量百分比为18-35.5%，纤维直径为0.2-0.8mm，纤维强力损失为3-8%，纤维的强力不低于28g/D。
根据本发明的方法，单丝状超高分子量聚乙烯纤维被理解为这样的产品，即它的外观和手感与多丝纱线或者多丝线相比更类似于单丝，但其实际上是由超高分子量聚乙烯纤维的复丝进行表面处理后再上胶制成的。
采用常压低温等离子体对超高分子量聚乙烯纤维进行表面处理，是一种有效物理改性技术。这种改性有许多明显的优点：一是对纤维表面的作用仅涉及几到几百纳米，只会改善纤维表面性能而纤维整体结构不受损伤、强度不受影响；二是处理时间短、效率高；三是常压低温等离子体表面处理技术属干式工艺，对环境无污染，满足节能和环保的需要；四是能耗低、生产成本低，经济实惠、操作简单；五是能够有效改善超高分子量聚乙烯纤维的浸润性和粘结性，与基体树脂的浸润速度得到提高，浸润量增大，浸润效果改善，使其复合材料的成型工艺性和整体综合性能更优化，可满足超高分子量聚乙烯纤维复合材料使用方面的各项技术要求。
本发明的有益效果在于：一是超高分子量聚乙烯纤维在整个生产环节都获得均匀张力，可得到集束性较好的单丝状超高分子量聚乙烯纤维，使纤维强力得到充分利用；二是在基本不影响纤维强力性能的前提下，极大提高纤维耐磨性，可大大延长纤维使用寿命；三是生产方法工艺简单，不需要复杂专用设备，造价低廉；可广泛地使用于工业、国防、体育、海洋等各个领域。
附图说明
图1为本发明的结构断面剖视放大示意图；
图中：1、超高分子量聚乙烯纤维；2、基体树脂层。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
该单丝状超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：它是由50根超高分子量聚乙烯纤维1并排粘结为一体，外壁上涂覆有基体树脂层2。
所述的基体树脂层2，由基体树脂构成。
上述单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法，其特征在于：它包括以下步骤制成：
（1）选材：选用超高分子量聚乙烯纤维50根，纤维规格为200D，强力≥32g/D；
（2）纤维表面处理：通过常压低温等离子体设备（输出功率：1KW；脉冲频率：14KHz；输出电压：12KV）对超高分子量聚乙烯纤维进行常压低温等离子体表面处理；所述的常压为86～106kPa；所述的低温为-10℃～+40℃；
（3）纤维加捻制成单股束状：将已进行压低温等离子表面处理的超高分子量聚乙烯纤维经加捻机进行加捻，S捻，捻数为每米在20个捻；
（4）纤维均匀张力、去除静电：将已均匀加捻的超高分子量聚乙烯纤维单股束均匀张力、去除静电；
（5）上胶：将上述的超高分子量聚乙烯纤维单股束经七辊牵伸机以5m/min速度，通过上胶机用已配制好的基体树脂对超高分子量聚乙烯纤维单股束进行上胶，上胶时间为0.8s；
（6）热定型：将上胶后的超高分子量聚乙烯纤维单股束经过热箱烘干定型后，制成单丝状超高分子量聚乙烯纤维，最后卷绕成卷，热箱烘干定型温度为80℃，烘干停留时间为4min。
所述的基体树脂，为聚氨脂树脂，基体树脂溶液的浓度为35%。
经检测：经上述步骤制得的单丝状超高分子量聚乙烯纤维中基体树脂的质量百分比为18%，纤维直径为0.2mm，纤维的强力不低于31.5g/D。
实施例2
该单丝状超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：它是由190根超高分子量聚乙烯纤维1并排粘结为一体，外壁上涂覆有基体树脂层2。
所述的基体树脂层2，由基体树脂构成。
上述单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法，其特征在于：它包括以下步骤制成：
（1）选材：选用超高分子量聚乙烯纤维190根，纤维规格为800D，强力≥32g/D；
（2）纤维表面处理：通过常压低温等离子体设备（输出功率：1.5KW；脉冲频率：18KHz；输出电压：15KV）对超高分子量聚乙烯纤维进行常压低温等离子体表面处理；所述的常压为86～106kPa；所述的低温为-10℃～+40℃；
（3）纤维加捻制成单股束状：将已进行压低温等离子表面处理的超高分子量聚乙烯纤维经加捻机进行加捻，Z捻，捻数为每米在50个捻；
（4）纤维均匀张力、去除静电：将已均匀加捻的超高分子量聚乙烯纤维单股束均匀张力、去除静电；
（5）上胶：将上述的超高分子量聚乙烯纤维单股束经七辊牵伸机以10m/min速度，通过上胶机用已配制好的基体树脂对超高分子量聚乙烯纤维单股束进行上胶，上胶时间为1.3s；
（6）热定型：将上胶后的超高分子量聚乙烯纤维单股束经过热箱烘干定型，制成单丝状超高分子量聚乙烯纤维，最后卷绕成卷，热箱烘干定型温度为100℃，烘干停留时间为2min。
所述的基体树脂，为聚乙烯基树脂，基体树脂溶液的浓度为40%。
经检测：经上述步骤制得的单丝状超高分子量聚乙烯纤维中基体树脂的质量百分比为21.5%，纤维直径为0.35mm，纤维的强力不低于29.5g/D。
实施例3
该单丝状超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：它是由360根超高分子量聚乙烯纤维1并排粘结为一体，外壁上涂覆有基体树脂层2。
所述的基体树脂层2，由基体树脂构成。
上述单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法，其特征在于：它包括以下步骤制成：
（1）选材：选用超高分子量聚乙烯纤维360根，纤维规格为1600D，强力≥32g/D；
（2）纤维表面处理：通过常压低温等离子体设备（输出功率：2KW；脉冲频率：20KHz；输出电压：18KV）对超高分子量聚乙烯纤维进行常压低温等离子体表面处理；所述的常压为86～106kPa；所述的低温为-10℃～+40℃；
（3）纤维加捻制成单股束状：将已进行压低温等离子表面处理的超高分子量聚乙烯纤维经加捻机进行加捻，S捻，捻数为每米在80个捻；
（4）纤维均匀张力、去除静电：将已均匀加捻的超高分子量聚乙烯纤维单股束均匀张力、去除静电；
（5）上胶：将上述的超高分子量聚乙烯纤维单股束经七辊牵伸机以15m/min速度，通过上胶机用已配制好的基体树脂对超高分子量聚乙烯纤维单股束进行上胶，上胶时间为0.9s；
（6）热定型：将上胶后的超高分子量聚乙烯纤维经过热箱烘干定型，制成单丝状超高分子量聚乙烯纤维，最后卷绕成卷，热箱烘干定型温度为110℃，烘干停留时间为1.4min。
所述的基体树脂，为环氧树脂，基体树脂溶液的浓度为60%。
经检测：经上述步骤制得的单丝状超高分子量聚乙烯纤维中基体树脂的质量百分比为27.4%，纤维直径为0.5mm，纤维的强力不低于31.5g/D。
实施例4
该单丝状超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：它是由570根超高分子量聚乙烯纤维1并排粘结为一体，外壁上涂覆有基体树脂层2。
所述的基体树脂层2，由基体树脂构成。
上述单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法，其特征在于：它包括以下步骤制成：
（1）选材：选用超高分子量聚乙烯纤维570，纤维规格为2400D，强力≥32g/D；
（2）纤维表面处理：通过常压低温等离子体设备（输出功率：2.5KW；脉冲频率：25KHz；输出电压：20KV）对超高分子量聚乙烯纤维进行常压低温等离子体表面处理；所述的常压为86～106kPa；所述的低温为-10℃～+40℃；
（3）纤维加捻制成单股束状：将已进行压低温等离子表面处理的超高分子量聚乙烯纤维经加捻机进行加捻，Z捻，捻数为每米在100个捻；
（4）纤维均匀张力、去除静电：将已均匀加捻的超高分子量聚乙烯纤维单股束均匀张力、去除静电；
（5）上胶：将上述的超高分子量聚乙烯纤维单股束经七辊牵伸机以20m/min速度，通过上胶机用已配制好的基体树脂对超高分子量聚乙烯纤维单股束进行上胶，上胶时间为0.8s；
（6）热定型：将上胶后的超高分子量聚乙烯纤维单股束经过热箱烘干定型，制成单丝状超高分子量聚乙烯纤维，最后卷绕成卷，热箱烘干定型温度为130℃，烘干停留时间为1min。
所述的基体树脂，为酚醛树脂，基体树脂溶液的浓度为80%。
经检测：经上述步骤制得的单丝状超高分子量聚乙烯纤维中基体树脂的质量百分比为35.5%，纤维直径为0.8mm，纤维的强力不低于30.5g/D。

Claims (5)

1.单丝状超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：它是由50-570根超高分子量聚乙烯纤维（1）并排粘结为一体，外壁上涂覆有基体树脂层（2）。
2.根据权利要求1所述的单丝状超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：所述的基体树脂层（2），由基体树脂制成。
3.单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法，其特征在于：它包括以下步骤制成：
（1）、选材：选用超高分子量聚乙烯纤维50-570根，纤维规格为200D-2400D，强力≥32g/D；
（2）、纤维表面处理：对超高分子量聚乙烯纤维进行常压低温等离子体表面处理；所述的常压为86～106kPa；所述的低温为-10℃～+40℃；
（3）、纤维加捻制成单股束状：将已进行常压低温等离子表面处理的超高分子量聚乙烯纤维经加捻机进行加捻，捻数为每米在20-100个捻，加捻类型为S捻或Z捻；
（4）、纤维均匀张力、去除静电：将已均匀加捻的超高分子量聚乙烯纤维的单股束均匀张力、去除静电；
（5）、上胶：将上述的超高分子量聚乙烯纤维的单股束经七辊牵伸机以5-20m/min速度，通过上胶机用已配制好的基体树脂对超高分子量聚乙烯纤维的单股束进行上胶，上胶时间为0.8-1.3s；
（6）、热定型：将上胶后的超高分子量聚乙烯纤维的单股束经过热箱烘干定型后，成为单丝状超高分子量聚乙烯纤维，最后卷绕成卷，热箱烘干定型温度为80-130℃之间，烘干停留时间为1-4min。
4.根据权利要求3所述的单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法，其特征在于：所述的基体树脂，为聚氨脂树脂、聚乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂，基体树脂溶液的浓度为35%-80%。
5.根据权利要求3所述的单丝状超高分子量聚乙烯纤维连续制备方法，其特征在于：所述的单丝状超高分子量聚乙烯纤维中基体树脂的质量百分比为18-35.5%，纤维直径为0.2-0.8mm，纤维强力损失为3-8%，纤维的强力不低于28g/D。
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