專利名稱：梳狀高強高模聚乙烯解纏與擠出紡絲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種帶有梳狀解纏裝置的高強高模聚乙烯溶解與紡絲裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，有機高分子的主鏈由于分子鍵的自由旋轉(zhuǎn)，高分子鏈構(gòu)象中， 全是反式構(gòu)象和全是左旁式構(gòu)象出現(xiàn)的概率是很小的，絕大部分呈現(xiàn)的是反式 與旁式之間的構(gòu)象，即既不是完全伸直也不是完全巻曲的構(gòu)象，而且由于熱運 動，這些構(gòu)象也在不斷的振動，改變中，使長鏈表現(xiàn)出或多或少的柔性，尤其 是一些非剛性的高分子鏈，使其在總體上表現(xiàn)為無規(guī)線團(見圖l)，這是大多 數(shù)線型非極性高分子的穩(wěn)定構(gòu)象，而眾多的高分子鏈聚集在一起，必然會相互 纏結(jié)在一起。
對于超高分子量的PE而言，首先考慮到PE分子的主鏈旋轉(zhuǎn)位能很低，因此 柔性很大，是目前所有高聚物中柔性最大的一種，同時隨著分子量的不斷提高， 單根分子鏈產(chǎn)生拓撲纏結(jié)的數(shù)量迅速上升，因此，這樣的高聚物材料雖然有熔 點，但在熔融溫度處，體系的粘度仍然很大，以至于無法進行紡絲。
凝膠紡絲是目前制造高模高強聚乙烯纖維最為成功的方法。它是將超高分子 量的柔性鏈高聚物材料以較低的濃度溶解在溶劑中，制成溶液的目的是利用溶 劑在一定程度上拆散相互纏結(jié)在一起的超高分子量分子鏈，同時防止產(chǎn)生新的 纏結(jié)，在增大體系流動性，提供體系可紡性的同時，提供給凝膠絲合適的初生 絲結(jié)構(gòu)，以利于超倍熱拉伸的展開，形成高結(jié)晶、高取向的高強纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)。
而凝膠紡絲的關(guān)鍵在于超高分子量聚乙烯溶液的溶解，大分子解纏狀態(tài)的保 持。
溶解是將一定量的超高分子量聚乙烯原料以一定的濃度溶于相應(yīng)的溶劑，經(jīng) 加熱和較長時間保溫過程而造成的熱分解，實現(xiàn)在一定程度上拆散相互纏結(jié)在 一起的大分子鏈，同時防止產(chǎn)生新的纏結(jié)，并通過如攪拌等方式的均勻混合和 剪切促進這種行為，據(jù)有關(guān)實驗和論著，溶解有以下特性a. 通過對溶液彈性模量的測定,可以了解到半稀溶液比濃溶液中大分子纏結(jié) 的確少很多。但半稀溶液的流變特性基本上與濃溶液相似，屬于典型的假塑性 流體。
b. 剪切速率對表現(xiàn)粘度的影響較大，也就是原液中的纏結(jié)點在較小剪切應(yīng) 力作用下容易拆散，此特點要求必須減小剪切應(yīng)力。
c. 柔性鏈大分子半稀溶液具有較高的彈性，施加較大剪切應(yīng)力時容易發(fā)生 彈性湍流現(xiàn)象。
所以，要提高紡絲速度和制造良好的初生纖維，首先必須從良好的溶解開 始，同時還要對相對分子質(zhì)量及其分布、溶劑性質(zhì)、紡絲溫度、噴絲孔道長徑 比以及孔道進口處前椎體角度等方面綜合加以考慮。
而溶解需要解決三大關(guān)鍵問題
(1) 經(jīng)濟高效生產(chǎn)與熱氧化降解矛盾問題由于溶液中的纏結(jié)點施加較小的剪 切應(yīng)力更有利于拆散，而施加較大剪切應(yīng)力時又容易發(fā)生彈性湍流現(xiàn)象，所以 應(yīng)該采用較小的剪切應(yīng)力。而超高分子量聚乙烯在高溫與氧氣接觸易發(fā)生熱氧 化降解，導(dǎo)致分子量急劇下降及色澤變黃，溶解速度過慢，不但容易產(chǎn)生熱降 解而且顯然無法進行高效的的規(guī)模生產(chǎn)。因而，必須通過特殊設(shè)計的溶解設(shè)備 以及溫度、時間等工藝條件的控制來抑制和盡量避免這種現(xiàn)象。
(2) 脫泡問題溶解過程中和溶解結(jié)束后，紡絲原液的粘度很高，但紡絲原液 中存在大量的氣泡，氣泡的存在會使紡出的凝膠絲條成為氣泡絲，導(dǎo)致牽伸時 絲條斷裂，無法得到性能合格的成品纖維，因此要對紡絲原液進行脫泡。
(3) 溶液輸送問題溶解結(jié)束后，紡絲原液的粘度很高，因而輸送非常困難， 方便的輸送方式也是必須的。
綜上所述溶解和解纏是制造高品質(zhì)初生絲的關(guān)鍵，而這個過程一般要通 過溶解設(shè)備的特殊設(shè)計以及溫度、時間等工藝條件的控制來抑制和盡量避免這 種現(xiàn)象，同時，還必須保證高粘度的溶液穩(wěn)定順利的擠出。
美國Allied公司專利US4,413，1109，日本可樂麗公司的JP.86-73743，中國 專利97106768為代表的現(xiàn)有技術(shù)中，多以雙螺桿(包含為提高溶解效率而采用 的如溶解釜、雙螺旋混合器、高速的鼓式混和器等輔助溶解設(shè)備)為主要溶解 擠出手段，這些方式存在以下問題-a) 雙螺桿脈動問題作為過去主要用于塑料行業(yè)的雙螺桿擠出機，雖然有良 好的混煉效果，但它所特有的脈動特點，在紡絲時壓力會產(chǎn)生脈動變化，從而 極大地影響紡絲的穩(wěn)定性和紡絲質(zhì)量的下降。
b) 高效經(jīng)濟生產(chǎn)問題由于雙螺桿的不可能做的無限長，因而，若要提高產(chǎn) 量，就要加快速度或增加其他的輔助溶解手段，而加快速度，就會導(dǎo)致溶液在 螺桿中的停留時間縮短，導(dǎo)致溶解的不足，從而無法制造合格的初生絲。如果 降低溶解的速度，就會大大降低產(chǎn)量，無法實現(xiàn)經(jīng)濟生產(chǎn)。
c) 混煉元件增加帶來的問題為保證物料能夠經(jīng)高效混煉達到充分均一化，必 須增加捏合塊、反螺紋塊以及其他混煉元件的數(shù)量，使物料在雙螺桿擠出機中 的停留時間加長，但反螺紋塊數(shù)量加多會影響擠出機的輸出能力和機頭壓力， 更重要的是高分子量聚乙烯原料在螺桿中停留的時間過長，會導(dǎo)致降解過大和 顏色變黃，影響成品纖維的性能。 >
美國Allied公司專利US4,413,1109(見圖2)，日本可樂麗公司的JP.86-73743 (見圖3)等專利均采用雙螺桿為溶解和擠出方式紡絲，為了彌補雙螺桿的溶解 的不足，即料液在雙螺桿擠出機中的停留時間較為短暫，需增加雙螺旋混合器， 高速鼓式混合器，溶解槽等裝置，目的是加快溶解的均勻性和溶解效率，從而 獲得較大產(chǎn)能，實現(xiàn)經(jīng)濟生產(chǎn)的目地。由于這些輔助的溶解措施，設(shè)備復(fù)雜， 成本高，難以連續(xù)進行，脫泡困難，經(jīng)溶解后的溶液由于粘度非常大，輸送也 是很大的困難。
中國專利97106768 (見圖4)采用大長徑比的雙螺桿一次完成從懸浮液到 溶脹、均勻溶解、脫泡、擠出的方案，事實上工業(yè)生產(chǎn)過程中雙螺桿不可能制 造的特別長，而超高分子量聚乙烯在溶劑中的溶解過程可分為二個階段溶脹 和溶解。在溶脹階段，主要表現(xiàn)為溶劑向超高分子量聚乙烯中滲透與擴散，它 是溶解混勻的關(guān)鍵。然而，溶脹是一個緩慢過程，原因在于高結(jié)晶的超高分子 量聚合體阻礙了溶劑的滲透。如果混合液在螺桿中停留的時間短，則可能導(dǎo)致 溶脹溶解不足，無法制造高品質(zhì)的初生絲，如果停留時間太長，則可能導(dǎo)致溶 液的氧化降解，同時也會極大地影響產(chǎn)量，無法達到經(jīng)濟生產(chǎn)。
中國專利200910045198.4提出利用與本實用新型相同的梳狀解纏溶解裝 置解決以上問題，但把擁有較好共混功能的雙螺桿作為擠出機使用，會同樣帶來紡絲過程中的脈動，影響紡絲質(zhì)量。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中采用雙螺桿為溶解和擠出方式紡絲所 存在的上述問題，提供一種帶有梳狀解纏擠出裝置的超高分子量聚乙烯溶液的 溶解和解纏紡絲裝置。本實用新型設(shè)計帶有梳狀解纏裝置的高強高模聚乙烯溶 解與紡絲裝置，包括溶脹釜、過渡罐、雙螺桿擠出機、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒 裝置，其特征在于在雙螺桿擠出機和噴絲板之間連接有一梳狀解纏裝置，雙 螺桿擠出機的輸出口接梳狀解纏裝置的輸入口 ，梳狀解纏裝置的輸出口接噴絲 板的輸入口。梳狀解纏裝置由可以調(diào)整速度動力組件、機筒及螺桿組成，在機 筒上有可以分區(qū)控制溫度的加熱圈。在螺桿的桿體上和螺頂間密布有螺旋狀錐 針形結(jié)構(gòu)。梳狀解纏裝置的機筒尾部有排氣孔。本實用新型的優(yōu)點是采用了超 高分子量聚乙烯在烷烴類溶劑中進行適度溶脹，制得超高分子量聚乙烯的懸浮 液，連續(xù)、定量地喂入雙螺桿擠出機中完成預(yù)溶解、脫泡過程，然后喂入梳狀 解纏擠出裝置，通過梳狀解纏擠出裝置進行快速的溶解解纏，然后加壓擠出， 經(jīng)過紡絲組件及冷卻，形成合格的絲條，從而更為簡捷地實現(xiàn)連續(xù)制備均勻的 紡絲溶液過程。

圖1為有機高分子的主鏈的示意圖，
圖2——圖4為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖5為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖6為本實用新型的梳狀解纏擠出裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖7為圖6的A部放大圖。
下面結(jié)合實例對本實用新型作詳細說明。
具體實施方式

包括溶脹釜1、過渡罐2、雙螺桿擠出機3、梳狀解纏擠出裝置4、噴絲板5、 冷凝池6、絡(luò)筒裝置7，其特征在于雙螺桿擠出和機3和噴絲板5之間連接有 一梳狀解纏裝置4，雙螺桿擠出和機3的輸出口接梳狀解纏裝置4的輸入口 ，梳 狀解纏裝置4的輸出口接噴絲板5。梳狀解纏裝置4由可以調(diào)整速度動力組件 10、機筒11及螺桿12組成，在機筒11上有可以分區(qū)控制溫度的加熱圈13。在螺桿12的桿體上和螺頂間密布有螺旋狀錐針形結(jié)構(gòu)14。梳狀解纏裝置4的機筒 11尾部有排氣孔15。本實用新型采用了超高分子量聚乙烯在烷烴類溶劑中進行 溶脹，喂入本實用新型所指的梳狀解纏裝置4，由于此結(jié)構(gòu)采用小的長徑比制造， 它一方面有類似螺桿12的推進裝置，同時又有類似梳棉機結(jié)構(gòu)的針狀結(jié)構(gòu)后尾 部的排氣孔15，由于較小的剪切應(yīng)力更有利于將粘度很大的溶液解纏，'而本實 用新型所設(shè)計的梳狀解纏裝置的特殊結(jié)構(gòu)可以在較慢的轉(zhuǎn)速下，極大提高解纏 的效果；同時利用較大的機頭和輸入端的壓力差，將大部分氣泡自動向后通過 排氣口排出；三是可以利用類似螺桿的分區(qū)控制溫度技術(shù)和轉(zhuǎn)速調(diào)整功能，有 效地控制溶解的溫度和速度。實現(xiàn)利用不同區(qū)段的加熱溫度，完成邊推進，邊 溶解和解纏和脫泡的連續(xù)過程。從而良好地解決使用普通的溶解釜槽等無法排 氣和推出困難等難題。溶解解纏后的紡絲液通過一個具有計量和溢流功能的裝 置，直接輸送到雙螺桿擠出機中完成進一步的溶解、脫泡過程，然后連接后續(xù) 的紡絲裝置，從而更為簡捷地實現(xiàn)連續(xù)制備均勻的紡絲溶液過程。
通過梳狀解纏裝置4和雙螺桿擠出機3的有機配合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢， 實現(xiàn)一種快速、高效和節(jié)能的連續(xù)制備聚合體紡絲溶液的方法，實現(xiàn)高品質(zhì)纖 維的經(jīng)濟生產(chǎn)，由此克服以往工藝中采用的復(fù)雜、繁瑣的均勻溶解和解纏難題， 解決了使用雙螺桿作為溶解擠出裝置時產(chǎn)生的脈動問題，同時也解決了以往僅 用一個雙螺桿所產(chǎn)生的顧此失彼，難以兼顧，的問題，大幅度提高產(chǎn)量，實現(xiàn) 節(jié)能環(huán)保，提升產(chǎn)品品質(zhì)的目的。
本實用新型以下列實施例予以說明，但本實用新型的專利權(quán)項不受實例條 件的局限。 實施例
將重均分子量為3 5X105的超高分子量聚乙烯80kg，抗氧劑1.3kg，白油 (沸點為185—30(TC) 920kg配制成8%濃度的溶液投入備有攪拌的1000L反應(yīng) 釜內(nèi)，將此溶液加熱，制得超高分子量聚乙烯的懸浮液。通過加熱和攪拌，對 此溶液進行溶脹處理。在攪拌狀態(tài)下，通過流量閥連續(xù)均勻地將所得淤漿輸入 到本梳狀解纏紡絲裝置中進行溶解和解纏，然后通過熔體泵打入隨后的雙螺桿 擠出裝置，經(jīng)紡絲組件等完成紡絲的連續(xù)過程，具體如下 1、 雙螺桿擠出機直徑與長徑比02X108mm、 L/D=48，2、 雙螺桿擠出機的轉(zhuǎn)速90—250 r.p.m.，
3、 淤漿在雙螺桿擠出機中停留時間2 10分鐘，
4、 雙螺桿擠出機的形式同向平行雙螺桿擠出機，
5、 雙螺桿擠出機的螺紋元件形式輸送、混煉、捏和、計量等螺紋元件，
6、 梳狀解纏擠出裝置的直徑與長徑比為O150誦、L/D=7 15。
7、 梳妝解纏擠出裝置的轉(zhuǎn)速為60 90 r. p. m.，
8、 梳妝解纏擠出裝置的筒體溫度喂入段135°C，中間段155°C，輸出段185 °C。
9、 預(yù)溶解的淤漿在梳狀解纏擠出裝置的時間約為1 10分鐘 以上述條件的配合可以實現(xiàn)每小時可得到均勻透明、無氣泡的超高分子量
聚乙烯絲條500 800公斤，產(chǎn)量約為僅使用雙螺桿的一倍。
將上述凍膠絲進行連續(xù)萃取，干燥和超倍拉伸，可制得強度為33g/d的高 強、高模聚乙烯纖維。
權(quán)利要求1、帶有梳狀解纏裝置的高強高模聚乙烯溶解與紡絲裝置，包括溶脹釜、過渡罐、雙螺桿擠出機、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒裝置，其特征在于在雙螺桿擠出機和噴絲板之間連接有一梳狀解纏裝置，雙螺桿擠出機的輸出口接梳狀解纏裝置的輸入口，梳狀解纏裝置的輸出口接噴絲板的輸入口。
2、按權(quán)利要求1所述的帶有梳狀解纏裝置的高強高模聚乙烯溶解與紡絲裝置， 其特征在于梳狀解纏裝置由可以調(diào)整速度動力組件、機筒及螺桿組成，在機 筒上有可以分區(qū)控制溫度的加熱圈。
3、 按權(quán)利要求1所述的帶有梳狀解纏裝置的高強高模聚乙烯連續(xù)溶解與紡絲裝 置，其特征在于在螺桿的桿體上和螺頂間密布有螺旋狀錐針形結(jié)構(gòu)。
4、 按權(quán)利要求1所述的帶有梳狀解纏裝置的高強高模聚乙烯連續(xù)溶解與紡絲裝 置，其特征在于梳狀解纏裝置的機筒尾部有排氣孔。
專利摘要本實用新型涉及一種帶有梳狀解纏裝置的高強高模聚乙烯溶解與紡絲裝置，包括溶脹釜、過渡罐、雙螺桿擠出機、噴絲板、冷凝池、絡(luò)筒裝置，其特征在于在雙螺桿擠出機和噴絲板之間連接有一梳狀解纏裝置，雙螺桿擠出機的輸出口接梳狀解纏裝置的輸入口，梳狀解纏裝置的輸出口接噴絲板的輸入口。梳狀解纏裝置由可以調(diào)整速度動力組件、機筒及螺桿組成，在機筒上有可以分區(qū)控制溫度的加熱圈。在螺桿的桿體上和螺頂間密布有螺旋狀錐針形結(jié)構(gòu)。梳狀解纏裝置的機筒尾部有排氣孔。本實用新型的優(yōu)點是通過梳狀解纏擠出裝置進行快速的溶解解纏，然后加壓擠出，經(jīng)過紡絲組件及冷卻，形成合格的絲條，從而更為簡捷地實現(xiàn)連續(xù)制備均勻的紡絲溶液過程。
文檔編號D01D1/02GK201372326SQ20092006789
公開日2009年12月30日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者劉華軒, 劉桂敏, 王惠芬, 新 陳 申請人:上海博迪紡織新材料有限公司;常州市恒力機械有限公司