高強度聚乙烯纖維設備及結構特點

金效東

（鹽城優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，在有機溶劑中體現化學惰性、耐磨的優異性、抗彎曲性、抗拉疲勞性和抗切削性等優點（表1），應用前景廣闊，并體現出日益增長的市場需求。國內早先生產聚乙烯纖維的設備產量不高，溶劑回收率低，生產成本高，纖維強度指標未達到期望的要求[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的主要結構，開拓了UHMWPE纖維設備，其特點是性能優異、能耗低、產量高。研發這樣的設備，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濟效益，并填補了使國內大容量UHMWPE纖維生產設備的空白被填補。

1 高強高模聚乙烯纖維濕法紡絲生產工藝流程

UHMWPE纖維濕法紡絲是一種化學纖維紡絲方法，熔聚合物在溶劑中，經噴絲孔細流噴出，入凝固浴生成纖維。濕法紡絲生產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。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、生產和生產后工藝流程如圖1——3所示。

2 紡絲部分設備的結構特點

2.1 紡絲機

紡絲機使用在濕法紡絲生產線的紡絲工序，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，并通過過道持續冷卻，形成最終的卷繞成型。紡紗機的結構組成主要是3個系統：紡絲支配、聯苯鍋爐支配、卷繞機支配系統。紡絲支配系統涵蓋計量泵傳動支配、油劑泵傳動支配以及采集和記錄現場的溫度、壓力發出的信號。在現場的每個旋轉位置都設有一個按鈕盒，計量泵和油泵的啟動和停止控制由現場按鈕進行，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控制。計量泵不同于油泵的點在于：計量泵的驅動是變頻器一拖一進行傳動，而油泵的驅動則是變頻一拖多進行傳動。本設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]。

設備的規格：約500 mm設定為紡絲箱外直徑；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設計為噴絲板直徑。

圖1 濕法紡絲生產原液制備流程

圖2 濕法紡絲生產紡絲部分生產流程

圖3 濕法紡絲生產后處理流程

2.2 升降水槽

升降水槽槽體焊接的鋼板為SUS304材料，溢流和導絲裝置在槽體內設置，槽體能升能降。對水槽和溢流裝置的高度進行升降調節，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，再通過導絲的裝置生成絲頭導出水槽。

設備的主要規格：≥300 mm的升降調節高度；噴絲板和水位距1 020 mm；設定6 080 mm為主動壓絲輥之直徑；設35 m/min為導絲輥之線速度；浸絲長度≥1.4 m。

2.3 導絲機和落絲機

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

2.4 萃取機

在預牽伸機和烘干機間設置萃取機，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。設備構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定，在設定的3個萃取槽中每槽均置盤管進行加熱。絲束經過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等。牽伸箱的材料是鋼板經焊接而成，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。調整輥件與牽伸輥間的間隙，并在牽伸過程中調整絲片的握力。齒輪和稀油潤滑系統安裝在牽伸箱中，對各級齒輪和各種軸承、稀油潤滑系統能進行充分潤滑。

本設備主要規格：導絲輥數量8個；導絲輥規格cp155 mm×150 mm；導絲輥線速度3 m/min。

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

3 結語

近年來，伴隨開發UHMWPE纖維設備的成功，我國增加了很多聚乙烯纖維的生產廠家，UHMWPE纖維的年產量增加幅度也很高，使國內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的角度看，UHMWPE纖維已經被列入研究開發的重點品種之一，因而UHMWPE濕法紡絲生產線設備開發和運用于生產現場的前景非常廣闊。