高強度聚乙烯纖維設(shè)備及結(jié)構(gòu)特點

金效東

（鹽城優(yōu)和博新材料有限公司，江蘇 射陽 224341）

高強度高模量聚乙烯（UHMWPE）纖維因其斷裂強度和彈性模量超高，較強的耐酸堿性，在有機溶劑中體現(xiàn)化學(xué)惰性、耐磨的優(yōu)異性、抗彎曲性、抗拉疲勞性和抗切削性等優(yōu)點（表1），應(yīng)用前景廣闊，并體現(xiàn)出日益增長的市場需求。國內(nèi)早先生產(chǎn)聚乙烯纖維的設(shè)備產(chǎn)量不高，溶劑回收率低，生產(chǎn)成本高，纖維強度指標(biāo)未達到期望的要求[1]。

表1 UHMWPE纖維比較常見纖維比抗張強度、比抗張模量和斷裂伸長率

湖南某化纖研究所深入研究了UHMWPE的主要結(jié)構(gòu)，開拓了UHMWPE纖維設(shè)備，其特點是性能優(yōu)異、能耗低、產(chǎn)量高。研發(fā)這樣的設(shè)備，不僅能很好地滿足用戶的要求，且能給用戶帶來十分可觀經(jīng)濟效益，并填補了使國內(nèi)大容量UHMWPE纖維生產(chǎn)設(shè)備的空白被填補。

1 高強高模聚乙烯纖維濕法紡絲生產(chǎn)工藝流程

UHMWPE纖維濕法紡絲是一種化學(xué)纖維紡絲方法，熔聚合物在溶劑中，經(jīng)噴絲孔細流噴出，入凝固浴生成纖維。濕法紡絲生產(chǎn)適用于聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維等合成纖維和粘膠纖維、銅氨纖維等人造纖維品種的生產(chǎn)。濕法紡絲工藝主要包括紡絲原液制備、紡前準備、紡絲以及絲條上油和卷繞。其原液制備、生產(chǎn)和生產(chǎn)后工藝流程如圖1——3所示。

2 紡絲部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點

2.1 紡絲機

紡絲機使用在濕法紡絲生產(chǎn)線的紡絲工序，用來制造高強高模聚乙烯纖維。紡絲機的功能是讓熔體經(jīng)過彎道流入各紡絲箱，通過計量泵噴出紡絲頭，冷卻后凝固成絲帶，并通過過道持續(xù)冷卻，形成最終的卷繞成型。紡紗機的結(jié)構(gòu)組成主要是3個系統(tǒng)：紡絲支配、聯(lián)苯鍋爐支配、卷繞機支配系統(tǒng)。紡絲支配系統(tǒng)涵蓋計量泵傳動支配、油劑泵傳動支配以及采集和記錄現(xiàn)場的溫度、壓力發(fā)出的信號。在現(xiàn)場的每個旋轉(zhuǎn)位置都設(shè)有一個按鈕盒，計量泵和油泵的啟動和停止控制由現(xiàn)場按鈕進行，因此變頻啟動信號一般由終端給出。因為計量泵和油泵的電機是同步的，變頻只要一般的無反饋信息系統(tǒng)控制。計量泵不同于油泵的點在于：計量泵的驅(qū)動是變頻器一拖一進行傳動，而油泵的驅(qū)動則是變頻一拖多進行傳動。本設(shè)備采用雙螺桿擠出機擠出的熔融紡絲材料，通過熔體管輸送到紡絲機，計量泵測量，用一種全新的特殊波片過濾器實施過濾，并通過紡絲組件噴射生成初生絲[2]。

設(shè)備的規(guī)格：約500 mm設(shè)定為紡絲箱外直徑；1位/箱、1頭/位；立式傳動為計量泵傳動形式；紡絲組件為圓形（下裝式），85 mm設(shè)計為噴絲板直徑。

圖1 濕法紡絲生產(chǎn)原液制備流程

圖2 濕法紡絲生產(chǎn)紡絲部分生產(chǎn)流程

圖3 濕法紡絲生產(chǎn)后處理流程

2.2 升降水槽

升降水槽槽體焊接的鋼板為SUS304材料，溢流和導(dǎo)絲裝置在槽體內(nèi)設(shè)置，槽體能升能降。對水槽和溢流裝置的高度進行升降調(diào)節(jié)，使冷卻水液面水平高度與噴絲板底部距離保證其在工作時達到1 020 mm，有利于水槽接納的初生絲及時冷卻，再通過導(dǎo)絲的裝置生成絲頭導(dǎo)出水槽。

設(shè)備的主要規(guī)格：≥300 mm的升降調(diào)節(jié)高度；噴絲板和水位距1 020 mm；設(shè)定6 080 mm為主動壓絲輥之直徑；設(shè)35 m/min為導(dǎo)絲輥之線速度；浸絲長度≥1.4 m。

2.3 導(dǎo)絲機和落絲機

導(dǎo)絲機的主要功能是：從冷卻水槽出來的初生絲，絲束經(jīng)導(dǎo)絲機導(dǎo)絲。設(shè)備主要規(guī)格是：cp100 mm×120 mm為導(dǎo)絲輥的尺寸；45 m/min為其線速度。落絲機的主要功能是：自導(dǎo)絲機出的初生絲經(jīng)落絲機改變絲束后導(dǎo)絲。設(shè)備的主要規(guī)格是：導(dǎo)絲輥尺寸和線速度等同于導(dǎo)絲機，設(shè)計150 mm為落絲輥之直徑；200 mm為橫動的行程。

2.4 萃取機

在預(yù)牽伸機和烘干機間設(shè)置萃取機，萃取絲束中聚乙烯用二氯甲烷進行，萃取的聚乙烯用Ultrasound清洗送到烘干機。設(shè)備構(gòu)成的主要部件是主動輥件、被動輥件、槽體和機架。絲束通過過絲孔在第一組對輥上按每圈間距10 mm纏繞20圈，按此間距和纏繞圈數(shù)在出絲后在第二、三組對輥上進行纏繞，絲束間距均勻可由每對輥的一根輥進行角度調(diào)整。在萃取液中半浸著輥子，萃取槽中的溫度按照工藝溫度設(shè)定，在設(shè)定的3個萃取槽中每槽均置盤管進行加熱。絲束經(jīng)過3個萃取槽，二氯甲烷會自絲束中萃取聚乙烯[3]。

2.5 牽伸機

本機使用的目的是根據(jù)牽伸機間的速度差異，按烘干機送出的具有一定張力的絲束進行牽伸，繼而不間斷地輸送到下一工序。

本機主要組成是：牽伸箱和輥、壓輥組件、刮絲器部件、潤滑油回路和傳動系統(tǒng)等。牽伸箱的材料是鋼板經(jīng)焊接而成，懸臂的牽伸輥水平安裝在箱體的外表面，在牽伸輥下沿送絲和拉絲方向布置壓輥部件。調(diào)整輥件與牽伸輥間的間隙，并在牽伸過程中調(diào)整絲片的握力。齒輪和稀油潤滑系統(tǒng)安裝在牽伸箱中，對各級齒輪和各種軸承、稀油潤滑系統(tǒng)能進行充分潤滑。

本設(shè)備主要規(guī)格：導(dǎo)絲輥數(shù)量8個；導(dǎo)絲輥規(guī)格cp155 mm×150 mm；導(dǎo)絲輥線速度3 m/min。

為了提高UHMWPE纖維的質(zhì)量，只有當(dāng)初生長絲在熱變形溫度之上、熔融溫度下進行牽伸時，高質(zhì)量的成品絲才能生產(chǎn)出來，因而重要的是控制牽伸介質(zhì)的溫度。當(dāng)較低溫度時，還達不到初生長絲高結(jié)晶度的熱變形溫度，會造成局部超牽伸，從而影響成絲質(zhì)量。如果溫度過高，會頻繁出現(xiàn)外皮熱而芯涼的情形，造成局部超牽伸，得到的絲質(zhì)量也會較差。因此，合適的牽伸溫度對工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運行和連續(xù)生產(chǎn)至關(guān)重要。在生產(chǎn)實踐中，只要溫度控制穩(wěn)定、牽伸倍數(shù)適當(dāng)、槽的長度符合工藝標(biāo)準，就可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的成品絲。

3 結(jié)語

近年來，伴隨開發(fā)UHMWPE纖維設(shè)備的成功，我國增加了很多聚乙烯纖維的生產(chǎn)廠家，UHMWPE纖維的年產(chǎn)量增加幅度也很高，使國內(nèi)外用戶的需求得到了滿足。此外，因為世界各強國間此消彼長的軍備競賽仍在激烈地進行，對UHMWPE纖維的需求增幅很大。在我國，從特種纖維品種研發(fā)的角度看，UHMWPE纖維已經(jīng)被列入研究開發(fā)的重點品種之一，因而UHMWPE濕法紡絲生產(chǎn)線設(shè)備開發(fā)和運用于生產(chǎn)現(xiàn)場的前景非常廣闊。