高强度聚乙烯纤维设备及结构特点

金效东

（盐城优和博新材料有限公司，江苏 射阳 224341）

高强度高模量聚乙烯（UHMWPE）纤维因其断裂强度和弹性模量超高，较强的耐酸碱性，在有机溶剂中体现化学惰性、耐磨的优异性、抗弯曲性、抗拉疲劳性和抗切削性等优点（表1），应用前景广阔，并体现出日益增长的市场需求。国内早先生产聚乙烯纤维的设备产量不高，溶剂回收率低，生产成本高，纤维强度指标未达到期望的要求[1]。

表1 UHMWPE纤维比较常见纤维比抗张强度、比抗张模量和断裂伸长率

湖南某化纤研究所深入研究了UHMWPE的主要结构，开拓了UHMWPE纤维设备，其特点是性能优异、能耗低、产量高。研发这样的设备，不仅能很好地满足用户的要求，且能给用户带来十分可观经济效益，并填补了使国内大容量UHMWPE纤维生产设备的空白被填补。

1 高强高模聚乙烯纤维湿法纺丝生产工艺流程

UHMWPE纤维湿法纺丝是一种化学纤维纺丝方法，熔聚合物在溶剂中，经喷丝孔细流喷出，入凝固浴生成纤维。湿法纺丝生产适用于聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维等合成纤维和粘胶纤维、铜氨纤维等人造纤维品种的生产。湿法纺丝工艺主要包括纺丝原液制备、纺前准备、纺丝以及丝条上油和卷绕。其原液制备、生产和生产后工艺流程如图1——3所示。

2 纺丝部分设备的结构特点

2.1 纺丝机

纺丝机使用在湿法纺丝生产线的纺丝工序，用来制造高强高模聚乙烯纤维。纺丝机的功能是让熔体经过弯道流入各纺丝箱，通过计量泵喷出纺丝头，冷却后凝固成丝带，并通过过道持续冷却，形成最终的卷绕成型。纺纱机的结构组成主要是3个系统：纺丝支配、联苯锅炉支配、卷绕机支配系统。纺丝支配系统涵盖计量泵传动支配、油剂泵传动支配以及采集和记录现场的温度、压力发出的信号。在现场的每个旋转位置都设有一个按钮盒，计量泵和油泵的启动和停止控制由现场按钮进行，因此变频启动信号一般由终端给出。因为计量泵和油泵的电机是同步的，变频只要一般的无反馈信息系统控制。计量泵不同于油泵的点在于：计量泵的驱动是变频器一拖一进行传动，而油泵的驱动则是变频一拖多进行传动。本设备采用双螺杆挤出机挤出的熔融纺丝材料，通过熔体管输送到纺丝机，计量泵测量，用一种全新的特殊波片过滤器实施过滤，并通过纺丝组件喷射生成初生丝[2]。

设备的规格：约500 mm设定为纺丝箱外直径；1位/箱、1头/位；立式传动为计量泵传动形式；纺丝组件为圆形（下装式），85 mm设计为喷丝板直径。

图1 湿法纺丝生产原液制备流程

图2 湿法纺丝生产纺丝部分生产流程

图3 湿法纺丝生产后处理流程

2.2 升降水槽

升降水槽槽体焊接的钢板为SUS304材料，溢流和导丝装置在槽体内设置，槽体能升能降。对水槽和溢流装置的高度进行升降调节，使冷却水液面水平高度与喷丝板底部距离保证其在工作时达到1 020 mm，有利于水槽接纳的初生丝及时冷却，再通过导丝的装置生成丝头导出水槽。

设备的主要规格：≥300 mm的升降调节高度；喷丝板和水位距1 020 mm；设定6 080 mm为主动压丝辊之直径；设35 m/min为导丝辊之线速度；浸丝长度≥1.4 m。

2.3 导丝机和落丝机

导丝机的主要功能是：从冷却水槽出来的初生丝，丝束经导丝机导丝。设备主要规格是：cp100 mm×120 mm为导丝辊的尺寸；45 m/min为其线速度。落丝机的主要功能是：自导丝机出的初生丝经落丝机改变丝束后导丝。设备的主要规格是：导丝辊尺寸和线速度等同于导丝机，设计150 mm为落丝辊之直径；200 mm为横动的行程。

2.4 萃取机

在预牵伸机和烘干机间设置萃取机，萃取丝束中聚乙烯用二氯甲烷进行，萃取的聚乙烯用Ultrasound清洗送到烘干机。设备构成的主要部件是主动辊件、被动辊件、槽体和机架。丝束通过过丝孔在第一组对辊上按每圈间距10 mm缠绕20圈，按此间距和缠绕圈数在出丝后在第二、三组对辊上进行缠绕，丝束间距均匀可由每对辊的一根辊进行角度调整。在萃取液中半浸着辊子，萃取槽中的温度按照工艺温度设定，在设定的3个萃取槽中每槽均置盘管进行加热。丝束经过3个萃取槽，二氯甲烷会自丝束中萃取聚乙烯[3]。

2.5 牵伸机

本机使用的目的是根据牵伸机间的速度差异，按烘干机送出的具有一定张力的丝束进行牵伸，继而不间断地输送到下一工序。

本机主要组成是：牵伸箱和辊、压辊组件、刮丝器部件、润滑油回路和传动系统等。牵伸箱的材料是钢板经焊接而成，悬臂的牵伸辊水平安装在箱体的外表面，在牵伸辊下沿送丝和拉丝方向布置压辊部件。调整辊件与牵伸辊间的间隙，并在牵伸过程中调整丝片的握力。齿轮和稀油润滑系统安装在牵伸箱中，对各级齿轮和各种轴承、稀油润滑系统能进行充分润滑。

本设备主要规格：导丝辊数量8个；导丝辊规格cp155 mm×150 mm；导丝辊线速度3 m/min。

为了提高UHMWPE纤维的质量，只有当初生长丝在热变形温度之上、熔融温度下进行牵伸时，高质量的成品丝才能生产出来，因而重要的是控制牵伸介质的温度。当较低温度时，还达不到初生长丝高结晶度的热变形温度，会造成局部超牵伸，从而影响成丝质量。如果温度过高，会频繁出现外皮热而芯凉的情形，造成局部超牵伸，得到的丝质量也会较差。因此，合适的牵伸温度对工业生产的稳定运行和连续生产至关重要。在生产实践中，只要温度控制稳定、牵伸倍数适当、槽的长度符合工艺标准，就可以生产出高质量的成品丝。

3 结语

近年来，伴随开发UHMWPE纤维设备的成功，我国增加了很多聚乙烯纤维的生产厂家，UHMWPE纤维的年产量增加幅度也很高，使国内外用户的需求得到了满足。此外，因为世界各强国间此消彼长的军备竞赛仍在激烈地进行，对UHMWPE纤维的需求增幅很大。在我国，从特种纤维品种研发的角度看，UHMWPE纤维已经被列入研究开发的重点品种之一，因而UHMWPE湿法纺丝生产线设备开发和运用于生产现场的前景非常广阔。