高密度聚乙烯原丝的萃取及热牵伸研究

夏发明，田明华，王安怡，王晓广



高密度聚乙烯原丝的萃取及热牵伸研究

夏发明，田明华，王安怡，王晓广*

（武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430200）

本实验旨在优化聚乙烯纤维生产工艺，提高纤维性能，将聚乙烯熔融纺丝进行萃取干燥和牵伸，用二甲苯作为萃取剂对不同石蜡含量聚乙烯原丝进行萃取实验，对萃取后的原丝进行热牵伸，得出高温下萃取效果高于低温，且石蜡含量越高萃取效果越好，但牵伸难度越大。从而提高了产品质量和生产效率。

聚乙烯；萃取；热牵伸；石蜡；取向度

现在世界上HDPE纤维的生产集中在荷兰、美国、日本和中国 4 个国家。荷兰DSM公司是最早实现该种纤维工业化生产的厂商，至今仍然是生产规模最大的1家。该公司在美国北卡罗莱纳的Greenville投资数千万美元扩增Dyneema品牌高性能聚乙烯纤维产能和单向（UD）防弹板产能，新装置已于2006年投产[1]。这是该公司的第三次扩能，使该公司为Dyneema纤维生产线总数达到9条，4条生产线位于Greenville，另外在荷兰的Heerlen有Dyneema工厂，在日本与东洋纺合资生产Dyneema。DSM公司在全球的纤维生产能力提高约18%，达到4700t/a；单向（UD）防弹板的生产量提高25%，达到2500t/a。

美国Honeywell公司建有590t/a的Spectra高强聚乙烯纤维生产装置，产品特色是模量极高，并拥有单面无纬布连续生产线。受北美防弹衣需求的影响，该公司投资2000万美元在Colonial Heigh工厂增加Spectra高强聚乙烯纤维生[2]。该公司使用自产的超高强度PE纤维织入尼龙中，生产出具有卓越抗撕裂和耐磨性能的产业用纺织品。这种抗撕裂纺织品中的PE纤维的强度比尼龙高7倍，能有效防止任何刺穿及撕裂口的延伸扩展。由于该产品具有优异的抗撕裂作用，靴鞋、滑雪服及运动装备织造业对这种纺织品产生极大兴趣。该公司在弗吉尼亚州科洛尼尔海兹建立了一座超高强度PE纤维生产厂，现已全面投产。日本东洋纺在2000年建有400t/a产能装置，2002年扩产至600t/a。该公司通过以分子级分析流动诱导相分离（控制超级拉伸和分子链取向），开发出一种有别于传统工艺的新型成产方法，得到产品 Ultra Dyneema，强度可达49 cN/dtex，接近现有Dyneema牌号两倍。东洋纺正继续致力于提高Dyneema的强度，将其作为应用开发的一部分。除了现有的30g牌号，该公司正在开发一种用于运输绳索的40g牌号[3]。

中国自1985年开始了HDPE纤维的研究，于20世纪末取得了一系列重大突破，并投入中试及工业化开发，纤维性能已达到国际高中等水平并具有自己的特色[4-7]。如今，中国成了继荷兰、美国、日本之后的第四个超高强PE生产国，年产量达到了1000t，我国东华大学化学纤维研究所"超高强度聚乙烯纤维产业化"课题组与世界同步进行着冻胶纺丝技术的研究，从1985年就开始从基础理论研究着手，逐步攻克冻胶纺丝技术、萃取技术及萃取装备、纳米颗粒使用技术等一系列技术难题，已获得了6项发明专利，在一些关键技术领域走在世界的前列。在此基础上，建成了年产1000t的超高强度聚乙烯纤维产业化生产线。从2002年起，我国将这种超高强度纤维应用于"神舟"飞船的回收系统，取得良好的效果[8]。

HDPE纤维虽然有强度高、模量高等优点[9], 但是也有不耐高温、蠕变和复合性能较差等缺点。对此世界各地的研究者不断进行生产工艺的改进和纤维改性的研究工作。由于HDPE纤维高度结晶和高度取向, 并且无极性基团, 与基体树脂浸润和粘结较难[10]。为增加纤维和基体树脂之间的粘结强度, 需要对纤维表面进行处理。目前国内在该生产领域，工艺及所用原料与国外相比还存在很大的差距，所生产的HDPE纤维的性能较国外同类产品要差，产品质量有待进一步研发。经熔融纺丝得到的初生丝是一种高度溶胀的凝胶体，内含的大量高沸点溶剂使PE大分子溶剂化，降低了链间的次价力和缠结点密度。通过适当的萃取干燥处理除去凝胶丝内的高沸点溶剂，使凝胶丝网络结构均匀致密化，可以显著提高拉伸倍数，从而提高纤维的强度和模量[11]。本实验正是在这样的背景下提出来的，旨在通过实验对不同石蜡含量高密度聚乙烯原丝的萃取和干燥工艺进行探索，找出影响萃取效果的因素并找出聚乙烯原丝萃取和干燥的最佳条件；对萃取后的原丝进行热牵伸，并对测量牵伸后聚乙烯的取向度，比较不同石蜡含量聚乙烯的牵伸效果，找出最适宜的牵伸条件，以优化纺丝工艺，提高产品质量和生产效率。

1 实验

1.1 原料

本实验采用二甲苯作为聚乙烯的萃取剂，并通过索氏提取器这种萃取工艺来提高纤维性能。然后将萃取后的聚乙烯熔融丝在烘箱中拿出后进行牵伸。最后将牵伸后的丝通过SCY-111智能型声速纤维取向度测试仪来测量其取向度，从而得出结论。

1.2 高密度聚乙烯高温下的萃取

分别剪取石蜡含量为40%、50%、55%、60%的高密度聚乙烯原丝适量，分别用电子天平称量其重量，再用滤纸将其分开包好确保试样不会漏出来，并再次称量其重量，记录好数据。将二甲苯倒入提取瓶中至其容积的三分之一，提取瓶放在加热器上。把滤纸包好的原丝放入提取管中，将容器依次装好并固定。并将其放入通风厨，接通电源，将温度设定为240度，进行加热萃取12小时。

1.3 高密度聚乙烯常温下的萃取

分别剪取石蜡含量为40%、50%、55%、60%的高密度聚乙烯原丝适量并用滤纸写好其含量后卷绕到原丝上，称量其重量并记录下来。再将其浸入装有二甲苯的烧杯中，确保原丝全部被二甲苯浸没。用保鲜膜将烧杯口封住，置于常温下进行萃取，经过不同时间的萃取后将试样低温烘干称重。

1.4 萃取后原丝的干燥

本实验采取的是室温环境下的自然干燥。

1.5 高密度聚乙烯原丝的热牵伸

将萃取出的各组聚乙烯熔融丝分别剪取8cm、6cm、4cm、2cm各4段，分别装入不同的塑料袋并贴上标签，写明它的原石蜡含量和剪取的长度。将烘箱温度调至140度以上，现将烘箱中垫上一张纸，防止聚乙烯熔化后黏在烘箱中的铁丝上。将聚乙烯原丝放入烘箱中的纸上，待温度上升至140度以上后打开烘箱，快速拿出并将其拉伸至60cm。

1.6 拉伸丝取向度的测试

2 结果与讨论

2.1 高温萃取后干燥原丝的质量变化

干燥过程完成后取出原丝，分别称取带滤纸的各含量的原丝重量和除去滤纸的重量，实验结果如下表：

表1 不同含量聚乙烯原丝中石蜡萃取情况

从上表中可以看出，有3组聚乙烯原丝经萃取后减少的重量大于其中石蜡的重量，说明高温下已经有一部分聚乙烯溶于萃取剂中，还可以看出二甲苯对石蜡含量低的聚乙烯原丝的萃取效果比石蜡含量高的要好。

2.2 常温萃取后干燥原丝质量变化

记录数据如表2所示：

表2 常温下不同时间段石蜡萃取百分含量

二甲苯在常温下对聚乙烯原丝的萃取速度要慢很多，这种情况下聚乙烯也不会溶于萃取剂，最终的萃取效果明显不如高温下的萃取效果，刚开始萃取速度较快，平均一天内各组原丝中的石蜡都能萃取出65%的石蜡，随着时间的推移，萃取速度越来越慢，最后达到稳定状态，而从表格中的数据中大致可以看出低浓度石蜡的聚乙烯原丝的最终萃取效果要较高浓度的好。

2.3 高密度聚乙烯原丝热牵伸后取向度的测试

实验结果证明只有石蜡含量为40%的聚乙烯牵伸倍数为30时成功，其他含量聚乙烯原丝未能牵伸到30倍。这也说明石蜡含量少的聚乙烯，经萃取后残留的石蜡最少，牵伸效果最好。

经牵伸后的聚乙烯通过取向度测试仪所测量的结果如表3所示：

表3 各组C值测试结果

表4 各组聚乙烯牵伸丝的取向度

从实验结果中可看出，随着牵伸倍数越大，牵伸丝的取向度越大。而原石蜡含量越大的高密度聚乙烯原丝萃取效果越差，其高倍牵伸难度也随之增大，取向度越小。

3 结论

（1）二甲苯在高温下对高密度聚乙烯原丝的萃取效果比常温下好，且石蜡含量越高，萃取效果越差，而高温下部分聚乙烯也会溶入萃取剂中。

（2）高密度聚乙烯在140摄氏度时进行热牵伸，牵伸倍数越大时，其原石蜡含量越大，牵伸难度越大，即各组样品中石蜡含量40%的聚乙烯牵伸效果最好。牵伸倍数越大其取向度越大。

[1] 山田．美国DSM强化Dyneema事业[J]．合成纤维，2005，34（6）：54-55．

[2] 山田．美国Honeywell公司增加Spectra高强聚乙烯纤维[J]．合成纤维，2005，34（3）：54．

[3] 赵淑战．东洋纺织公司将工业化生产超高聚乙烯纤维[J]．国内外石油化工快报，2006，36（5）：25．

[4] 宫平．超高相对分子质量聚乙烯纤维及其复合材料的性能[J]．北京服装学院学报，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] 黄玉松，陈跃如，邵军，等．超高相对分子质量聚乙烯纤维复合材料的研究进展[J]．工程塑料应用，2005，33（11）：69-73．

[8] 钱伯章．超高强度聚乙烯纤维国产化[J]．高科技纤维与应用，2006，31（5）：40．

[9] 范龙，胡珊，刑程鹏．粉煤灰/高密度聚乙烯复合材料的性能研究[J]．塑料工业，2014，（7）：73-76．

[10]陈利民．超高分子量聚乙烯纤维在防弹材料上的应用[J]. 工程塑料应用，1995，（06）：31-34.

[11]郑晓秧，于俊荣，刘兆峰．凝胶纺UHMWPE纤维工艺及原理浅析[J]．高科技纤维与应用，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

王晓广（1962-），男，副教授，研究方向：电子束辐照与新材料开发.