高密度聚乙烯原丝的萃取及热牵伸研究

高密度聚乙烯原丝的萃取及热牵伸研究

安宁

中国石油四川石化有限责任公司 四川 彭州 611930

摘要：萃取、热牵伸是高密度聚乙烯原丝制备过程中应用的重要工艺技术，其质量高低与高密度聚乙烯原丝生产质量、效率存在直接影响。本研究通过理论研究明确高密度聚乙烯原丝制备工艺现状，通过实验研究探寻科学、有效、适宜高密度聚乙烯原丝萃取、热牵伸工艺条件，旨在进一步提高高密度聚乙烯纤维生产质量，保证高密度聚乙烯纤维质量达标。

关键词：高密度聚乙烯；原丝；萃取；热牵伸

引言：高密度聚乙烯纤维以其强度高、韧性好、耐腐蚀性强、耐磨性强等优势在建筑领域、军事领域、航空航天领域等得到广泛应用。高密度聚乙烯纤维制备过程中，凝胶纺丝、熔融纺丝是较为常见的方法，但相对于凝胶纺丝而言，熔融纺丝应用优势更显著，但研究发现在应用熔融纺丝法进行生产时，对萃取、热牵伸等工艺技术具有较高要求，如萃取、热牵伸不到位、不合理，将严重影响高密度聚乙烯纤维质量，降低生产效率与质量。因此，加强高密度聚乙烯原丝的萃取及热牵伸研究现实意义显著。

1高密度聚乙烯原丝制备技术理论研究

高密度聚乙烯是一种乙烯共聚生成的不透明白色蜡状材料，属环保型材质，具备强度高、电绝缘性好、耐腐蚀性强、模量高等优势，目前已被广泛应用于军事领域、航空领域、包装生产领域、建筑领域等。但由于高密度聚乙烯易变性、易开裂、易燃烧、复合性能差，其应用受限因素多，对其相关企业以及工作人员加强了其生产工艺研究，以期通过工艺技术改进，改善高密度聚乙烯纤维性能，提高其应用实用性、可靠性、广泛性。

目前，高密度聚乙烯纤维生产过程中，较为常用的制备技术主要有熔融纺丝、凝胶纺丝法、局部拉伸法、高压固态挤压法等。熔融纺丝法主要是将高分子量聚乙烯树脂、高密度聚乙烯纤维生产辅助剂等按照一定配比混均，利用机械设备进行造粒、烘干、挤出、冷却、卷绕、热牵伸等操作，得到所需高密度聚乙烯纤维，该方法工艺流程简短、成本低、产量高、污染小，应用与推广价值较高^[1]。凝胶纺丝法主要是将高分子量聚乙烯树脂溶解，通过挤出、冷却、高倍拉伸等操作得到高密度聚乙烯纤维，该方法所生产产品质量好，但成本较高，且生产过程中易产生污染物质。局部拉伸法主要是通过高温加热、局部拉伸方式获取高强度纤维，受限制因素多，不利于工业生产。高压固态挤压法主要是通过高温熔融、挤出、高倍牵伸获取高强度纤维，受生产设备影响大，工业化生产受限因素多。因此，工业批量生产中，熔融纺丝法与凝胶纺丝法最为适宜，但二者对比熔融纺丝法优势更显著，故加强熔融纺丝法研究现实意义显著。研究发现，利用熔融纺丝法得到的初生丝属于高度溶胀凝胶体，含有丰富高沸点溶剂，如处理不当极易影响产品质量，对此在工艺改进过程中，应积极探寻萃取干燥工艺条件，以有效消除高沸点溶剂，并经适宜热牵伸操作，提高拉伸倍数，从而获取高强度、高模量的高密度聚乙烯原丝纤维^[2]。

2高密度聚乙烯原丝制备技术实验研究

2.1实验材料与设备

本单位生产高密度聚乙烯原丝，石蜡含量分别为40%、50%、60%；二甲苯，上海那艾精密仪器有限公司提供索氏提取器，企业生产用烘箱，SCY-型新颖声速纤维取向测量仪等。

2.2实验方法

（1）取适量石蜡含量不同的高密度聚乙烯原丝样本进行标记，沉浸到二甲苯溶液中（全部沉没），在室温下利用索氏提取器萃取，萃取1天、3天后取出样本烘干称重，做好相关记录。

（2）取适量石蜡含量不同的高密度聚乙烯原丝样本进行标记，沉浸到二甲苯溶液中（三分之一沉没），240℃条件下萃取12小时，取出样本烘干称重，做好相关记录。

（3）将萃取烘干得到的各样本按照2cm、4cm、6cm、8cm标准截取成段，做好标记（包括样本编号、石蜡含量、截取长度等）后，置于烘箱中加热，但温度达到140℃后，取出样本进行拉伸，拉伸目标为60cm。按照Moseley公式计算拉伸丝取向度。

2.3实验结果

2.3.1常温萃取效果

常温下各样本萃取时间较长，每日可萃取63~68%石蜡，且原丝石蜡含量越低萃取效果越好。

2.3.2高温萃取效果

由表1数据可知，六组研究对象中，有三组萃取前后差量较高密度聚乙烯原丝石蜡重量大，提示高温下利用二甲苯进行萃取，不仅原丝中的石蜡完全消除，也有部分高密度聚乙烯溶于萃取剂中。与此同时，对比石蜡含量不同原丝萃取前后原丝质量变化，石蜡含量低的原丝高温萃取效果明显好于石蜡含量高的原丝。此外，与常温萃取效果比较，高温萃取效果更好。

表 1 常温萃取下石蜡含量变化情况

2.3.3热牵伸后高密度聚乙烯原丝取向度

各组高密度聚乙烯原丝热牵伸后取向度测试结果显示，牵伸7.5倍时，40%石蜡含量、50%石蜡含量、60%石蜡含量样本取向度分别达到0.21、0.52、0.59；牵伸15倍时，40%石蜡含量、50%石蜡含量、60%石蜡含量样本取向度分别达到0.80、0.58、0.64；牵伸30倍时只有40%石蜡含量成功，取向度达到0.93，其余均为达到要求。可见，随着牵伸倍数增大，高密度聚乙烯原丝取向度越大，高密度聚乙烯萃取前石蜡含量对高密度聚乙烯原丝取向度存在一定影响，降低石蜡含量可在一定程度上提高高密度聚乙烯原丝取向度。

结论：熔融纺丝法以其成本低、产量高、污染小、操作简单等优势在高密度聚乙烯纤维生产中得到广泛应用。虽然该方法应用优势明显，但初生丝处理过程中易受生产工艺影响发生性能与质量改变，从而影响高密度聚乙烯纤维性能与质量。科学调整工艺参数，做好高密度聚乙烯原丝萃取、热牵伸工作至关重要。由本次实验研究结果可知，高温条件下进行萃取可获取较好萃取效果，合理控制石蜡含量利于牵伸效果改善。

参考文献

[1]谢婷,钱娟,张佩华.凉感聚乙烯纤维在凉爽功能纺织品中的应用与展望[J].产业用纺织品,2021,39(06):1-7.

[2]王新威,张玉梅,孙勇飞,等.超高分子量聚乙烯材料的研究进展[J].化工进展,2020,39(09):3403-3420.