CN106283246A

CN106283246A - 一种超高分子量聚乙烯短纤维及其制备方法

Info

Publication number: CN106283246A
Application number: CN201510306964.3A
Authority: CN
Inventors: 陈建军; 杨勇; 阮洋; 郭团春; 陈国斌; 张其宝; 何庆权; 胡婷
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Yizheng Chemical Fibre Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Yizheng Chemical Fibre Co Ltd
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明公开了一种超高分子量聚乙烯短纤维及其制备方法，制备超高分子量聚乙烯短纤维原丝，原丝经并筒、集束、清洗长丝油剂，重新上阴离子型高强度聚乙烯短纤维油剂，进行冷态卷曲，对卷曲后的纤维进行80～120℃下的松弛定型处理，干燥时间为5~30min，干燥热定型温度为90~100℃，进行张力调整，切断得到卷曲数为3~10个/25mm的超高分子量聚乙烯短纤维，切断长度为3~102mm。本发明所提供的超高分子量聚乙烯纤维截面异形，有一定的自然卷曲的特点，易梳理、易上胶，其抱合性、可纺性和混纺性得到提高，其短纤维纤度范围0.5dtex~2.5dtex，切断长度3mm~102mm，强度为10~40cN/dtex，可满足后道纺纱工艺不同风格的要求。

Description

一种超高分子量聚乙烯短纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及合成纤维生产技术领域，具体涉及一种聚乙烯短纤维的制造方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维(也称高性能聚乙烯纤维、高强度聚乙烯纤维)综合性能优异，在安全防护、军事、航天、海洋、体育等多个领域有广泛的应用，目前主要为长丝产品，如各类绳索、UD布等。高强度聚乙烯短纤维与长丝相比有所不同，一是后道织物风格不同，短纤维的纺纱制品更致密、手感更柔和、织物附着性更好(不滑)，可制成穿着更舒适且耐磨耐割防刺的高档牛仔服、户外运动服等功能型服装面料；二是短纤维比长丝用途更广泛，如采用混纺的手段，按需制成色泽不同的纱线供后道应用，或用于混凝土增强、复合增强材料等，大大丰富后道产品种类，是超高分子量聚乙烯长丝的重要补充，具有很高的开发价值。由于超高分子量聚乙烯纤维的力学性能与普通纤维不同，在短纤维的制造中，卷曲、定型、切断以及纺纱工艺方面都需要进行专门的技术开发。

专利CN102115937B公开了一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，包括预热、卷曲、干燥、切割四个步骤，制备50mm～100mm短纤并用该短纤制得力学性能均一的防刺面料。但该专利所述产品后续加工单一，不涉及纺纱工艺，主要针对防刺面料。专利CN101016667B公开了一种超高分子量聚乙烯短切纤维纺纱方法。包括预热、卷曲、切断、上油打包、将袋装的短切纤维送至毛纺或棉纺车间开松、梳毛成条、细纱、后加工。所制超高分子量聚乙烯短切纤维可以通过毛纺、棉纺的过程制成纱线，可用于纯纺、混纺，适用于制成防切割、防穿刺的织物。该专利所用纤维截面规整，表面光滑，卷曲结构很难稳定，卷曲之前需要100～120℃预热，卷曲数为3～5个/cm，且卷曲牢度差于普通化纤，纺纱过程中纤维间缺乏勾结和抱合，影响产品的力学性能和防刺防割性能。同时，短纤维长细比为24，短纤维长度为50～100mm，不能做超短纤维。文献《超高分子量聚乙烯短纤维及其纱线性能研究》(纺织导报[J]2014NO.4)介绍了超高分子量聚乙烯短纤维与及其与涤纶混纺纱线的性能，纱线断裂强度为8cN/dtex以上，应用领域较窄，主要为纱线和防切割产品，文章对短纤维及其纱线制造方法未有提及。廉志军等人在《高强高模聚乙烯短纤维及其应用》(纺织导报[J]2013NO.3)一文中介绍了一种高强高模聚乙烯短纤维的性能、制备流程及应用。与长丝相比，短纤维耐切割性能和强度损失不大，在普通纱线中混入一定比例的高强高模聚乙烯短纤维，纱线强度达6cN/dtex以上。同样，其应用领域也是局限在纱线产品，纱线强度较低，且单丝纤度做不到2.0dtex以下。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种超高分子量聚乙烯短纤维及其制备方法，纤度范围0.5dtex～2.5dtex，切断长度3mm～102mm，纤维柔软，截面不规则，易于卷曲，可满足后道纺纱工艺不同风格的要求，用途广泛。

技术方案：一种超高分子量聚乙烯短纤维，纤维纤度为0.5dtex～2.5dtex，切断长度为3mm～102mm，强度为10～40cN/dtex。

上述超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备超高分子量聚乙烯短纤维原丝；

(2)原丝经并筒、集束、清洗长丝油剂，重新上阴离子型高强度聚乙烯短纤维油剂，赋予高强度聚乙烯短纤维易开松、抗静电、耐摩擦、润滑性能。

(3)通过卷曲机喂入轮将丝束喂入机械式卷曲箱进行冷态卷曲；

(4)对卷曲后的纤维进行80～120℃下的松弛定型处理，干燥时间为5～30min，干燥热定型温度为90～100℃；

(5)进行张力调整，切断得到卷曲数为3～10个/25mm、卷曲性能良好的超高分子量聚乙烯短纤维，切断长度通过改变切断机刀盘的刀距来实现，优选为3～102mm；其中3～10mm为超短纤维，多用于复合物增强，如水泥混凝土增强材料；10mm以上可经纯纺或混纺纺制为纱线或纱条，满足后道不同用途，不同风格的要求。

进一步，步骤(1)包括：超高分子量聚乙烯纺丝溶液从喷丝头挤出至少一条丝，丝束冷却得凝胶丝，纺丝溶剂从凝胶丝中快速除去，丝束收缩形成不规则截面，在除去纺丝溶剂之前、之后或期间，以至少一个拉伸步骤中拉伸该丝，再经至少一个松弛步骤，消除丝束应力，形成具有微自然卷曲的超高分子量聚乙烯长丝。

进一步，所述纺丝溶剂为有机溶剂，包括石蜡、矿物油、煤油或十氢萘；优选为易挥发溶剂，最优选为十氢萘。溶剂在纺丝过程中快速挥发，有利于丝束收缩形成不规则截面。

进一步，所述超高分子量聚乙烯的特性粘度为5～30dl/g，优选为20～25dl/g。

进一步，去除纺丝溶剂通过热风循环***实现，所述热风循环***为保持有70℃～150℃流动气体的封闭加热腔室，流动气体为空气或氮气，优选氮气。丝束经加热腔室穿过，溶剂发生闪蒸，原丝表面迅速形成稳定的皮层结构，在继续干燥过程中，内部的不断挥发，除去大部分萘烷，纤维体积发生径向收缩，表面皮层形成微细沟槽，并形成不规则的纤维截面。气体流从丝束一面吹出，使丝束迎风面和背风面产生不对称冷却，在一个或多个位伸过程中，由于聚乙烯分子聚集态结构因冷却不同而使拉伸应力不同，在随后至少一个松弛过程中，消除丝束应力，产生微自然卷曲。

进一步，步骤(2)所述集束的总纤度为每毫米卷曲轮宽度承担0.1～0.5万分特，变动范围为±5％，集束张力为0.08～0.15cN/dtex。

进一步，步骤(2)所述油剂通过喷淋油辊的方式上油，或将丝束浸入油槽上油，最终纤维含油率控制在0.2～0.5％。

进一步，步骤(3)所述卷曲是在张紧状态下进入填箱式卷曲机进行机械卷曲，丝束张力为0.1～0.3cN/dtex，卷曲温度为20～40℃，卷曲速度为10～60m/min，卷曲机主压为0.3MPa～0.4MPa，填塞箱背压为0.2MPa～0.4MPa。超高分子量聚乙烯纤维表面有大量纵向沟槽，这些沟槽是由聚乙烯微原纤形成的，进行卷曲时，在强大外力的作用下，纤维易从微原纤间结合力较弱的地方纵向开裂、折叠而发生变形，卷曲牢度提高。然而，经过卷曲后超高分子量聚乙烯的微原纤虽发生折叠，形成褶皱，但微原纤并不断裂，所以短纤加工对其强度几乎没有影响。超高分子量聚乙烯长丝卷曲前后形貌对比如图1。

进一步，不经过卷曲步骤直接切短，得到纤维长度不大于10mm的超短纤维，用作建筑材料或复合材料增强。

有益效果：1、本发明所提供的超高分子量聚乙烯纤维截面异形，有一定的自然卷曲的特点，易梳理、易上胶，其抱合性、可纺性和混纺性得到提高，其短纤维纤度范围0.5dtex～2.5dtex，切断长度3mm～102mm，强度为10～40cN/dtex，可满足后道纺纱工艺不同风格的要求；

2、本发明所提供的超高分子聚乙烯短纤维制备工艺对纤维强度无影响，短纤维强度为10～40cN/dtex，强度损失率小于2％；

3、本发明对高强度聚乙烯长丝的卷曲加工采用冷态卷曲，省去蒸汽预热箱，工艺流程简单，节约能耗，卷曲数为3～10个/25mm，纤维卷曲对纺纱有利，卷曲数太少，纤维抱合性不好，毛条强度低，难以纺纱；卷曲数过多则会产生大量棉结，同样影响纺纱质量；

4、本发明所提供的短纤维用途广泛，可用于纺纱，所制纱线手感良好，有一定的导湿效果，耐磨耐切割防刺性能优良，应用于防切割手套、功能服装等可同时兼顾舒适与性能；还可应用于建筑增强材料、复合增强材料(如3～10mm超短纤维)、耐磨、防切割织物、无纺布、复合材料等。

附图说明

图1为超高分子量聚乙烯长丝卷曲前后形貌对比。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

实施例1：超高分子量聚乙烯特性粘度23.6dl/g，与十氢萘溶胀后用双螺杆挤出机挤出，经喷丝板喷丝，经热风循环***脱溶剂，氮气流前区温度为115℃，中后区温度为70～110℃逐渐降低分布。然后经预牵伸，预牵伸温度125℃，牵伸倍率3.14，再经三级热拉伸，热拉伸热箱温度为140～150℃，热拉伸总倍率为6.41；再经一级松弛拉伸，松弛温度146℃，松弛倍率1.0，制得超高分子量聚乙烯长丝。长丝经集束，集束纤度20万旦，每毫米卷曲轮宽度承担0.3万分特，集束张力为0.1cN/dtex，再经常温水清洗长丝油剂、喷淋油辊方式上油，油剂为阴离子型高强度聚乙烯短纤维油剂，控制含油率为0.3％，再经填塞箱机械卷曲，卷曲丝束张力为0.2cN/dtex，卷曲温度为常温30℃，卷曲速度为25m/min，卷曲机主压为0.35MPa，填塞箱背压为0.35MPa。对卷曲后的纤维进行100℃下的松弛定型处理，再干燥热定型，温度为95℃时间为15min，再经张力调整后最后切短制成38mm，51mm，76mm，102mm等多种规格短纤维。短纤维性能指标如表1所示：

表1 超高分子量聚乙烯短纤维性能指标

实施例2：与实施例1大致相同，所不同的是，超高分子量聚乙烯的特性粘度为20dl/g，与石蜡溶胀后用双螺杆挤出机挤出，经喷丝板喷丝，经热风循环***脱溶剂，氮气流前区温度为150℃，中后区温度为110～140℃逐渐降低分布。将84根2400D/1380f的超高分子量聚乙烯短纤维集合成一束20万旦的大丝束，每毫米卷曲轮宽度承担0.1万分特，集束张力为0.15cN/dtex，将此大丝束经脱盐水浴浸泡洗去长丝油剂，再将丝束浸入油槽上短纤阴离子型高强度聚乙烯短纤维油剂，控制含油率为0.5％。通过卷曲机的喂入轮送入填塞挤压式卷曲槽中进行卷曲，卷曲槽不需配置加热装置，卷曲丝束张力为0.3cN/dtex，卷曲温度为20℃，卷曲机主、背压分别为0.3Mpa、0.4Mpa，通过卷曲机喂入轮的转速控制丝束喂入卷曲箱的速度为30m/min，对卷曲后的纤维进行120℃下的松弛定型处理，经摆丝机构均匀铺放在热风干燥箱中烘干，烘箱温度100℃，干燥时间为5min，再经张力调整后送入切断机进行切断成3mm，26mm，51mm，76mm等多种规格短纤维，得到的超高分子量聚乙烯短纤维的性能指标见表2。

实施例3：与实施例1大致相同，所不同的是，超高分子量聚乙烯的特性粘度为25dl/g，与煤油溶胀后用双螺杆挤出机挤出，经喷丝板喷丝，经热风循环***脱溶剂，氮气流前区温度为110℃，中后区温度为70～100℃逐渐降低分布。将135根1500D/1380f的超高分子量聚乙烯短纤维集合成一束20万旦的大丝束，每毫米卷曲轮宽度承担0.5万分特，集束张力为0.08cN/dtex，将此大丝束经洗油槽洗去长丝油，再浸入油槽上油，控制含油率为0.2％，通过卷曲机的喂入轮送入填塞挤压式卷曲槽中进行卷曲，卷曲丝束张力为0.1cN/dtex，卷曲温度为40℃，卷曲机主、背压分别为0.4Mpa、0.2Mpa，通过卷曲机喂入轮的转速控制丝束喂入卷曲箱的速度为45m/min，对卷曲后的纤维进行80℃下的松弛定型处理，卷曲后的丝束经摆丝机构均匀铺放在热风干燥箱中烘干，烘箱温度90℃，干燥时间为30min，再经张力调整后送入切断机进行切断，得到的超高分子量聚乙烯短纤维性能指标见表2：

表2 超高分子量聚乙烯短纤维样品物理性能分析

样品编号	实施例2	实施例3
			纤度/(Dtex)	1.94	1.30
线密度偏差率/(％)	6.9	10.96
			长度/(mm)	51	38
断裂强度/(CN/dtex)	26.82	31.54
			断裂伸长率/(％)	6.47	5.28
初始模量/(CN/dtex)	268	382.12
			卷曲数/(个/25mm)	7.5	9.0
卷曲率/(％)	3.67	4.1
			含油率(％)	0.4	0.26
比电阻/(Ω·cm)	4.2×10⁷	3.2×10⁷

实施例4：与实施例1大致相同，所不同的是，超高分子量聚乙烯的特性粘度为5dl/g，步骤(3)卷曲速度为10m/min。

实施例5：与实施例1大致相同，所不同的是，超高分子量聚乙烯的特性粘度为30dl/g，步骤(3)卷曲速度为60m/min。

实施例6：与实施例1大致相同，所不同的是，不经过卷曲、松弛定型和干燥，直接由长丝切短，得到纤维长度不大于10mm的超短纤维。

Claims

1.一种超高分子量聚乙烯短纤维，其特征在于：纤维纤度为0.5dtex~2.5dtex，切断长度为3mm~102mm，强度为10~40cN/dtex。

2.一种超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）制备超高分子量聚乙烯短纤维原丝；

（2）原丝经并筒、集束、清洗长丝油剂，重新上阴离子型高强度聚乙烯短纤维油剂；

（3）进行冷态卷曲；

（4）对卷曲后的纤维进行80～120℃下的松弛定型处理，干燥时间为5~30min，干燥热定型温度为90~100℃；

（5）进行张力调整，切断得到卷曲数为3~10个/25mm的超高分子量聚乙烯短纤维，切断长度为3~102mm。

3.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）包括：超高分子量聚乙烯纺丝溶液从喷丝头挤出至少一条丝，丝束冷却得凝胶丝，纺丝溶剂从凝胶丝中快速除去，丝束收缩形成不规则截面，在除去纺丝溶剂之前、之后或期间，以至少一个拉伸步骤中拉伸该丝，再经至少一个松弛步骤，消除丝束应力，形成超高分子量聚乙烯长丝。

4.根据权利要求3所述的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：所述纺丝溶剂为有机溶剂，包括石蜡、矿物油、煤油或十氢萘；优选为易挥发溶剂。

5.根据权利要求3所述的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：所述超高分子量聚乙烯的特性粘度为5~30dl/g，优选为20~25dl/g。

6.根据权利要求3所述的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：去除纺丝溶剂通过热风循环***实现，所述热风循环***为保持有70℃~150℃流动气体的封闭加热腔室，流动气体为空气或氮气。

7.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述集束的总纤度为每毫米卷曲轮宽度承担0.1~0.5万分特，变动范围为±5%，集束张力为0.08~0.15cN/dtex。

8.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述油剂通过喷淋油辊的方式上油，或将丝束浸入油槽上油，最终纤维含油率控制在0.2～0.5％。

9.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述卷曲是在张紧状态下进入填箱式卷曲机进行机械卷曲，丝束张力为0.1~0.3cN/dtex，卷曲温度为20~40℃，卷曲速度为10~60m/min，卷曲机主压为0.3MPa～0.4MPa，填塞箱背压为0.2MPa~0.4MPa。

10.根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯短纤维的制备方法，其特征在于：不经过步骤（3）（4）直接由长丝切短，得到纤维长度不大于10mm的超短纤维。