高密度聚乙烯原絲的萃取及熱牽伸研究

夏發(fā)明，田明華，王安怡，王曉廣

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高密度聚乙烯原絲的萃取及熱牽伸研究

夏發(fā)明，田明華，王安怡，王曉廣*

（武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200）

本實(shí)驗(yàn)旨在優(yōu)化聚乙烯纖維生產(chǎn)工藝，提高纖維性能，將聚乙烯熔融紡絲進(jìn)行萃取干燥和牽伸，用二甲苯作為萃取劑對不同石蠟含量聚乙烯原絲進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn)，對萃取后的原絲進(jìn)行熱牽伸，得出高溫下萃取效果高于低溫，且石蠟含量越高萃取效果越好，但牽伸難度越大。從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

聚乙烯；萃取；熱牽伸；石蠟；取向度

現(xiàn)在世界上HDPE纖維的生產(chǎn)集中在荷蘭、美國、日本和中國 4 個(gè)國家。荷蘭DSM公司是最早實(shí)現(xiàn)該種纖維工業(yè)化生產(chǎn)的廠商，至今仍然是生產(chǎn)規(guī)模最大的1家。該公司在美國北卡羅萊納的Greenville投資數(shù)千萬美元擴(kuò)增Dyneema品牌高性能聚乙烯纖維產(chǎn)能和單向（UD）防彈板產(chǎn)能，新裝置已于2006年投產(chǎn)[1]。這是該公司的第三次擴(kuò)能，使該公司為Dyneema纖維生產(chǎn)線總數(shù)達(dá)到9條，4條生產(chǎn)線位于Greenville，另外在荷蘭的Heerlen有Dyneema工廠，在日本與東洋紡合資生產(chǎn)Dyneema。DSM公司在全球的纖維生產(chǎn)能力提高約18%，達(dá)到4700t/a；單向（UD）防彈板的生產(chǎn)量提高25%，達(dá)到2500t/a。

美國Honeywell公司建有590t/a的Spectra高強(qiáng)聚乙烯纖維生產(chǎn)裝置，產(chǎn)品特色是模量極高，并擁有單面無緯布連續(xù)生產(chǎn)線。受北美防彈衣需求的影響，該公司投資2000萬美元在Colonial Heigh工廠增加Spectra高強(qiáng)聚乙烯纖維生[2]。該公司使用自產(chǎn)的超高強(qiáng)度PE纖維織入尼龍中，生產(chǎn)出具有卓越抗撕裂和耐磨性能的產(chǎn)業(yè)用紡織品。這種抗撕裂紡織品中的PE纖維的強(qiáng)度比尼龍高7倍，能有效防止任何刺穿及撕裂口的延伸擴(kuò)展。由于該產(chǎn)品具有優(yōu)異的抗撕裂作用，靴鞋、滑雪服及運(yùn)動(dòng)裝備織造業(yè)對這種紡織品產(chǎn)生極大興趣。該公司在弗吉尼亞州科洛尼爾海茲建立了一座超高強(qiáng)度PE纖維生產(chǎn)廠，現(xiàn)已全面投產(chǎn)。日本東洋紡在2000年建有400t/a產(chǎn)能裝置，2002年擴(kuò)產(chǎn)至600t/a。該公司通過以分子級分析流動(dòng)誘導(dǎo)相分離（控制超級拉伸和分子鏈取向），開發(fā)出一種有別于傳統(tǒng)工藝的新型成產(chǎn)方法，得到產(chǎn)品 Ultra Dyneema，強(qiáng)度可達(dá)49 cN/dtex，接近現(xiàn)有Dyneema牌號兩倍。東洋紡正繼續(xù)致力于提高Dyneema的強(qiáng)度，將其作為應(yīng)用開發(fā)的一部分。除了現(xiàn)有的30g牌號，該公司正在開發(fā)一種用于運(yùn)輸繩索的40g牌號[3]。

中國自1985年開始了HDPE纖維的研究，于20世紀(jì)末取得了一系列重大突破，并投入中試及工業(yè)化開發(fā)，纖維性能已達(dá)到國際高中等水平并具有自己的特色[4-7]。如今，中國成了繼荷蘭、美國、日本之后的第四個(gè)超高強(qiáng)PE生產(chǎn)國，年產(chǎn)量達(dá)到了1000t，我國東華大學(xué)化學(xué)纖維研究所"超高強(qiáng)度聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化"課題組與世界同步進(jìn)行著凍膠紡絲技術(shù)的研究，從1985年就開始從基礎(chǔ)理論研究著手，逐步攻克凍膠紡絲技術(shù)、萃取技術(shù)及萃取裝備、納米顆粒使用技術(shù)等一系列技術(shù)難題，已獲得了6項(xiàng)發(fā)明專利，在一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域走在世界的前列。在此基礎(chǔ)上，建成了年產(chǎn)1000t的超高強(qiáng)度聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線。從2002年起，我國將這種超高強(qiáng)度纖維應(yīng)用于"神舟"飛船的回收系統(tǒng)，取得良好的效果[8]。

HDPE纖維雖然有強(qiáng)度高、模量高等優(yōu)點(diǎn)[9], 但是也有不耐高溫、蠕變和復(fù)合性能較差等缺點(diǎn)。對此世界各地的研究者不斷進(jìn)行生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和纖維改性的研究工作。由于HDPE纖維高度結(jié)晶和高度取向, 并且無極性基團(tuán), 與基體樹脂浸潤和粘結(jié)較難[10]。為增加纖維和基體樹脂之間的粘結(jié)強(qiáng)度, 需要對纖維表面進(jìn)行處理。目前國內(nèi)在該生產(chǎn)領(lǐng)域，工藝及所用原料與國外相比還存在很大的差距，所生產(chǎn)的HDPE纖維的性能較國外同類產(chǎn)品要差，產(chǎn)品質(zhì)量有待進(jìn)一步研發(fā)。經(jīng)熔融紡絲得到的初生絲是一種高度溶脹的凝膠體，內(nèi)含的大量高沸點(diǎn)溶劑使PE大分子溶劑化，降低了鏈間的次價(jià)力和纏結(jié)點(diǎn)密度。通過適當(dāng)?shù)妮腿「稍锾幚沓ツz絲內(nèi)的高沸點(diǎn)溶劑，使凝膠絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻致密化，可以顯著提高拉伸倍數(shù)，從而提高纖維的強(qiáng)度和模量[11]。本實(shí)驗(yàn)正是在這樣的背景下提出來的，旨在通過實(shí)驗(yàn)對不同石蠟含量高密度聚乙烯原絲的萃取和干燥工藝進(jìn)行探索，找出影響萃取效果的因素并找出聚乙烯原絲萃取和干燥的最佳條件；對萃取后的原絲進(jìn)行熱牽伸，并對測量牽伸后聚乙烯的取向度，比較不同石蠟含量聚乙烯的牽伸效果，找出最適宜的牽伸條件，以優(yōu)化紡絲工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

本實(shí)驗(yàn)采用二甲苯作為聚乙烯的萃取劑，并通過索氏提取器這種萃取工藝來提高纖維性能。然后將萃取后的聚乙烯熔融絲在烘箱中拿出后進(jìn)行牽伸。最后將牽伸后的絲通過SCY-111智能型聲速纖維取向度測試儀來測量其取向度，從而得出結(jié)論。

1.2 高密度聚乙烯高溫下的萃取

分別剪取石蠟含量為40%、50%、55%、60%的高密度聚乙烯原絲適量，分別用電子天平稱量其重量，再用濾紙將其分開包好確保試樣不會漏出來，并再次稱量其重量，記錄好數(shù)據(jù)。將二甲苯倒入提取瓶中至其容積的三分之一，提取瓶放在加熱器上。把濾紙包好的原絲放入提取管中，將容器依次裝好并固定。并將其放入通風(fēng)廚，接通電源，將溫度設(shè)定為240度，進(jìn)行加熱萃取12小時(shí)。

1.3 高密度聚乙烯常溫下的萃取

分別剪取石蠟含量為40%、50%、55%、60%的高密度聚乙烯原絲適量并用濾紙寫好其含量后卷繞到原絲上，稱量其重量并記錄下來。再將其浸入裝有二甲苯的燒杯中，確保原絲全部被二甲苯浸沒。用保鮮膜將燒杯口封住，置于常溫下進(jìn)行萃取，經(jīng)過不同時(shí)間的萃取后將試樣低溫烘干稱重。

1.4 萃取后原絲的干燥

本實(shí)驗(yàn)采取的是室溫環(huán)境下的自然干燥。

1.5 高密度聚乙烯原絲的熱牽伸

將萃取出的各組聚乙烯熔融絲分別剪取8cm、6cm、4cm、2cm各4段，分別裝入不同的塑料袋并貼上標(biāo)簽，寫明它的原石蠟含量和剪取的長度。將烘箱溫度調(diào)至140度以上，現(xiàn)將烘箱中墊上一張紙，防止聚乙烯熔化后黏在烘箱中的鐵絲上。將聚乙烯原絲放入烘箱中的紙上，待溫度上升至140度以上后打開烘箱，快速拿出并將其拉伸至60cm。

1.6 拉伸絲取向度的測試

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫萃取后干燥原絲的質(zhì)量變化

干燥過程完成后取出原絲，分別稱取帶濾紙的各含量的原絲重量和除去濾紙的重量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表：

表1 不同含量聚乙烯原絲中石蠟萃取情況

從上表中可以看出，有3組聚乙烯原絲經(jīng)萃取后減少的重量大于其中石蠟的重量，說明高溫下已經(jīng)有一部分聚乙烯溶于萃取劑中，還可以看出二甲苯對石蠟含量低的聚乙烯原絲的萃取效果比石蠟含量高的要好。

2.2 常溫萃取后干燥原絲質(zhì)量變化

記錄數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 常溫下不同時(shí)間段石蠟萃取百分含量

二甲苯在常溫下對聚乙烯原絲的萃取速度要慢很多，這種情況下聚乙烯也不會溶于萃取劑，最終的萃取效果明顯不如高溫下的萃取效果，剛開始萃取速度較快，平均一天內(nèi)各組原絲中的石蠟都能萃取出65%的石蠟，隨著時(shí)間的推移，萃取速度越來越慢，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而從表格中的數(shù)據(jù)中大致可以看出低濃度石蠟的聚乙烯原絲的最終萃取效果要較高濃度的好。

2.3 高密度聚乙烯原絲熱牽伸后取向度的測試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明只有石蠟含量為40%的聚乙烯牽伸倍數(shù)為30時(shí)成功，其他含量聚乙烯原絲未能牽伸到30倍。這也說明石蠟含量少的聚乙烯，經(jīng)萃取后殘留的石蠟最少，牽伸效果最好。

經(jīng)牽伸后的聚乙烯通過取向度測試儀所測量的結(jié)果如表3所示：

表3 各組C值測試結(jié)果

表4 各組聚乙烯牽伸絲的取向度

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可看出，隨著牽伸倍數(shù)越大，牽伸絲的取向度越大。而原石蠟含量越大的高密度聚乙烯原絲萃取效果越差，其高倍牽伸難度也隨之增大，取向度越小。

3 結(jié)論

（1）二甲苯在高溫下對高密度聚乙烯原絲的萃取效果比常溫下好，且石蠟含量越高，萃取效果越差，而高溫下部分聚乙烯也會溶入萃取劑中。

（2）高密度聚乙烯在140攝氏度時(shí)進(jìn)行熱牽伸，牽伸倍數(shù)越大時(shí)，其原石蠟含量越大，牽伸難度越大，即各組樣品中石蠟含量40%的聚乙烯牽伸效果最好。牽伸倍數(shù)越大其取向度越大。

[1] 山田．美國DSM強(qiáng)化Dyneema事業(yè)[J]．合成纖維，2005，34（6）：54-55．

[2] 山田．美國Honeywell公司增加Spectra高強(qiáng)聚乙烯纖維[J]．合成纖維，2005，34（3）：54．

[3] 趙淑戰(zhàn)．東洋紡織公司將工業(yè)化生產(chǎn)超高聚乙烯纖維[J]．國內(nèi)外石油化工快報(bào)，2006，36（5）：25．

[4] 宮平．超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維及其復(fù)合材料的性能[J]．北京服裝學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，20(2)：76-80．

[5] Weedon G C，Weber Jr，etal．Ultra-high molecular weight polyethylene fibers[P]．US6951685，2005-10-4．

[6] Rein D，Vaykhansky L，Cohen Y．Ultra-high molecular weight polyolefin fiber Composite matrix，and process for the manufacture thereof[P]．US6172163，2001-1-9．

[7] 黃玉松，陳躍如，邵軍，等．超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]．工程塑料應(yīng)用，2005，33（11）：69-73．

[8] 錢伯章．超高強(qiáng)度聚乙烯纖維國產(chǎn)化[J]．高科技纖維與應(yīng)用，2006，31（5）：40．

[9] 范龍，胡珊，刑程鵬．粉煤灰/高密度聚乙烯復(fù)合材料的性能研究[J]．塑料工業(yè)，2014，（7）：73-76．

[10]陳利民．超高分子量聚乙烯纖維在防彈材料上的應(yīng)用[J]. 工程塑料應(yīng)用，1995，（06）：31-34.

[11]鄭曉秧，于俊榮，劉兆峰．凝膠紡UHMWPE纖維工藝及原理淺析[J]．高科技纖維與應(yīng)用，2000，25（3）：29-34．

Research of High Density Polyethylene Raw Silk Extraction and Hot Stretch

XIA Fa-ming, TIAN Ming-hua, WANG An-yi, WANG Xiao-guang

(School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

The purpose of this study is to optimize the production process of polyethylene fiber and improve the performance of the fiber.Using Polyethylene melt spinning to extraction dry and drawing,with xylene as the extractant for different wax content’s polyethylene strands to extraction experiments,after extraction of raw silk hot drawing, extraction efficiency obtained at a temperature higher than a low temperature and higher wax content extraction effect is good, but the difficulty of drawing more. So improve the quality of products and production efficiency.

polyethylene; extraction; hot stretch; paraffin wax; orientation degree

TB332；TS102.527

A

2095－414X(2017)03－0021－04

王曉廣（1962-），男，副教授，研究方向：電子束輻照與新材料開發(fā).