陳建軍

(中國石化儀征化纖股份有限公司高纖生產中心，江蘇儀征 211900)

工業(yè)化生產超高分子量聚乙烯纖維，首先需要超高分子量聚乙烯粉末與溶劑混合制成均勻的懸浮液或溶解成均質溶液;然后將懸浮液或溶液加入雙螺桿擠壓，經過濾器、計量泵和噴絲組件，紡出纖維。物料進入雙螺桿前的狀態(tài)可以分為溶脹狀態(tài)和溶解狀態(tài)。

溶脹狀態(tài)進料是將UHMWPE粉末與溶劑配制成濃度為6% ～10%的漿料，在90～110℃的溫度下攪拌喂入雙螺桿。溶脹狀態(tài)主要解決的是固液相混合均勻問題，保證進入雙螺桿的溶液濃度穩(wěn)定，固體顆粒不沉降，形成均勻的懸浮液。該方法對釜式攪拌設備的要求低，工藝和操作簡便和穩(wěn)定;但是溶解過程完全依靠雙螺桿擠出機，對雙螺桿模塊組合的要求較高，螺桿熔壓壓力難以穩(wěn)定，通常設置增壓泵以穩(wěn)定紡絲計量泵的熔體壓力。

溶解狀態(tài)進料對釜式攪拌設備要求較高，工藝和操作較繁雜。進行適度的溶脹是制備超高分子量聚乙烯纖維均勻紡絲溶液的關鍵，溶脹不足，會出現“夾生”現象，超高分子量聚乙烯的溶解就會不均勻，紡絲時會導致斷絲的發(fā)生;溶脹太充分，超高分子量聚乙烯顆粒會聚集成團，形成“絮片”或“凍膠塊”，使溶液粘度增大，出現韋森堡效應(Weisenberger Effect)或法向應力效應，產生粘稠溶液沿攪拌軸爬桿等現象。這些現象將嚴重影響漿液的均勻性，造成濃度梯度。另外，溶解狀態(tài)采用的溫度也比溶脹路線的高，停留時間長，這樣就很容易發(fā)生大分子降解和氧化。但是，溶解狀態(tài)進料可以減輕雙螺桿的負擔，使雙螺桿的熔壓較穩(wěn)，可以不設增壓泵。

經充分溶脹的UHMWPE分子鏈上仍保持著一定數量的瞬間纏結點，這些纏結點必須依靠繼續(xù)提高溫度，增強溶劑化作用才能消除，從而達到均勻溶解之目的，實現這一目的的主要設備是雙螺桿擠出機。

雙螺桿為積木式原理設計，在螺桿上裝有各種形狀的螺紋元件，這些螺紋元件的組合要符合工藝設計，使物料在筒體內的不同位置分別達到溶脹、輸送返料、剪切、溶解混合作用。最后根據工藝要求，以紡絲箱體入口壓力為聯(lián)鎖點，確定雙螺桿出口壓力，使物料向后輸送，經過紡絲組件，形成初生纖維。

為了達到均勻溶解的目的，筆者重點對溶脹狀態(tài)進料的雙螺桿工藝進行分析研究。

1 雙螺桿擠出機工藝

1.1 螺紋元件組合

與其它聚合物溶解不同，UHMWPE在十氫萘中的溶解，雖然該過程仍然是聚乙烯分子鏈與十氫萘分子之間相互物理擴散過程，但是其溶解溫度高于其結晶溫度，并且需要依靠雙螺桿擠出機強烈剪切、捏合才能形成均勻溶液，否則只能形成含有大量凝膠的極不均勻溶液。

在聚乙烯的溶解過程中，物料流體粘度經歷一個由極低到極高的變化過程，因此擠出機內部螺紋元件需要根據物料流體粘度變化及工藝要求設置不同組合。

在小試、擴試以及工業(yè)化裝置雙螺桿擠出機螺紋元件組合經驗基礎上，筆者歸納、總結出以下結論:

a)溶脹補償段——此階段為了避免夾雜氣泡，同時對超高分子量聚乙烯進一步補償溶脹。

由于此階段超高分子量聚乙烯尚未開始溶解，物料流體粘度極低，為了使物料產生足夠壓力，因此該段螺紋元件螺距大、螺紋升角大。該段長度占擠出機總長度10% ～20%，具體依據擠出機規(guī)格而定。

b)過渡段——該區(qū)域是超高分子量聚乙烯開始溶解的過渡區(qū)域。

在此階段，聚乙烯開始初步溶解，物料流體粘度開始急速上升，為此螺紋元件螺距大幅減小，而螺紋升角僅需略微減小，該段長度占擠出機總長度10%～20%，具體依據擠出機規(guī)格而定。

c)溶解段——該區(qū)域完成超高分子量聚乙烯均勻溶解。

此區(qū)域由若干單元混合區(qū)構成，每個單元混合區(qū)分別由推進螺旋塊、不同角度正向及少量反向捏合塊組合而成，逐步實現溶解、混合而達到溶解均勻的目的。該區(qū)域長度占擠出機總長度50%～70%，具體依據擠出機規(guī)格而定。

d)出料段——將溶解均勻的超高分子量聚乙烯溶體以合適壓力擠出。

至此聚乙烯已溶解完全，需要有合適壓力將其擠出，由于此階段長度較短，因此螺紋元件螺距及螺紋升角均較大，一般其長度占擠出機總長度10%左右，機頭壓力根據負荷及品種不同，由紡絲箱體入口壓力控制。一般應控制在5～8 MPa左右。

圖1所示為工業(yè)化裝置調試雙螺桿擠出機螺紋元件初步組合示意圖。

圖1 雙螺桿擠出機螺紋元件初步組合示意圖

經過一段時間運行，筆者認為出料段偏長，造成雙螺桿的機頭壓力偏高，同時造成溶解段混合單元偏少，導致聚乙烯溶解不夠均勻、完全，影響溶體可紡性。在該組合基礎上，對雙螺桿的螺紋元件組合進行再次調整，減少一組D96/96組合塊，增加一組混合單元。調整后，當雙螺桿轉速在110 r/min時，機頭最高壓力下降為6.0 MPa，此時既能保證聚乙烯溶體在管道中穩(wěn)定輸送，又使產品質量得到了進一步提高，說明聚乙烯溶解更加均勻、完全。

1.2 雙螺桿擠出機轉速

使用雙螺桿擠出機的優(yōu)點在于其對物料能夠產生有效地剪切及捏合作用，但是同時也會使物料產生降解，尤其是超高分子量聚乙烯，剪切對其產生的降解作用遠遠強于高溫。不同規(guī)格擠出機，其最佳轉速有所不同，并且轉速最大調節(jié)范圍也就在最佳轉速(±10)r/min以內，轉速過高則導致超高分子量聚乙烯降解嚴重，過低則導致溶解不均勻。在生產過程中，一旦摸索出最佳轉速，在后續(xù)工藝優(yōu)化中原則上是盡量不要調節(jié)擠出機轉速。

經過實驗摸索，合適轉速一般在100～150 r/min范圍內，擠出機直徑越大和長度越長，轉速越低。

1.3 擠出機各區(qū)溫度控制

雙螺桿擠出機各區(qū)溫度要求控制精確，其波動范圍嚴格控制在(±1)℃以內，尤其是過渡區(qū)溫度波動，會嚴重影響機頭壓力穩(wěn)定。

研究發(fā)現，在10℃范圍內，過渡段溫度每升高1℃，擠出機機頭壓力大約升高0.1 MPa。這是因為過渡段溫度升高實質導致溶解段向前端推移，聚乙烯在該區(qū)域過度溶解而使物料流體粘度增大。而該區(qū)域螺紋元件主要是起物料推進作用，當物料粘度增大后，不可避免會導致機頭壓力上升。由于聚乙烯溶體具有可壓縮性，如果機頭壓力不夠穩(wěn)定，則導致溶體輸送量不均勻，最終影響產品性能。

通過研究，得出擠出機各區(qū)域最佳的溫度范圍如下:

在溶脹補償段，需要對聚乙烯進行溶脹補償，根據前述研究結論，該區(qū)域溫度在90～110℃范圍內，如果有多個加熱區(qū)，溫度可逐步升高。

由于溶解段溫度相對較高，因此從溶脹到溶解需要一過渡區(qū)域，避免因溫度急劇變化影響補償段溫度穩(wěn)定。根據需要，過渡段溫度在120～160℃范圍內，逐步升高。

為了避免溫度過高加劇聚乙烯降解，溶解段溫度一般盡量低，常規(guī)溫度控制在150～170℃范圍內，不過若超高分子量聚乙烯聚合度較高或者紡絲液濃度較高，溶解溫度最高可達210℃，此時主要依據超高分子量聚乙烯溶解情況而定。

2 結論

a)通過多次調整不同雙螺桿擠出機內部螺紋元件組合，研究了其對實現超高分子量聚乙烯粉末完全、均勻溶解的影響，并最終實現了利用雙螺桿擠出機制備紡絲液的目的。

b)雙螺桿擠出機合適轉速范圍為100～150 r/min，轉速過高會導致超高分子量聚乙烯嚴重降解，過低則其溶解不均勻。

c)雙螺桿擠出機各區(qū)溫度波動范圍控制在(±1)℃，各區(qū)的溫度控制范圍為:溶脹補償段為90～110℃;過渡段為120～160℃;溶解段溫度一般控制在150～170℃，可根據UHMWPE的分子質量以及紡絲液濃度做適當調整。

［1］于俊榮，胡祖明，劉兆峰.超高相對分子質量聚乙烯溶液的制備［J］.中國紡織大學學報，2000，26(6):90 －93.

［2］Allied-Signal Inc.Preparation of solution of high molecular weight polymers，US4784820，1986.

［3］王依民，陳建軍，彼·杰·萊姆施特.一種凍膠紡超高分子質量聚丙烯/超高分子量聚乙烯復合纖維及其制備方法，200710046743.2，2007.

［4］宮本武明等著.新纖維材料入門［M］.日刊工業(yè)出版社，1996.

［5］趙渠森編譯.復合材料［M］.國防工業(yè)出版社，1979.

［6］楊年慈，楊耀慈，王依民，等.超高分子量聚乙烯均勻溶液的連續(xù)制備［S］，CN1190137A，1998.