本發(fā)明涉及高壓閃噴紡絲，尤其是一種溶劑組合物及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、超高分子量聚乙烯纖維又稱高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，是由分子量在100～600萬的超高分子量聚乙烯(uhmwpe)所紡出的纖維，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和模量。在軍事領(lǐng)域，使用該纖維增強(qiáng)的樹脂復(fù)合材料制成的防彈、防暴頭盔已成為鋼盔和芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料頭盔的替代品。在航天工程中，由于該纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)和抗沖擊性能好，適用于各種飛機(jī)的翼尖結(jié)構(gòu)、飛船結(jié)構(gòu)和浮標(biāo)飛機(jī)等。此外，超高分子量聚乙烯纖維也可用于繩索、纜繩、生物材料和工業(yè)上的耐壓容器、傳送帶、過濾材料、汽車緩沖板等。

2、超高分子量聚乙烯纖維通常采用高壓閃噴紡絲技術(shù)制備。高壓閃噴紡絲技術(shù)又稱閃蒸紡絲技術(shù)，是指通過在高溫高壓的環(huán)境下，將聚合物與溶劑混合成溶液從噴絲孔噴射到常溫常壓的環(huán)境中，溶劑在高溫高壓下的液相到常溫常壓的環(huán)境時會迅速蒸發(fā)，剩下聚合物通過噴絲孔的擠壓、牽伸、散射，就形成了一條含有很多超細(xì)纖維的纖維絲束。

3、現(xiàn)有技術(shù)報道，采用高壓閃噴紡絲技術(shù)制備聚乙烯纖維，通常使用二氯甲烷作為溶劑。然而，對于超高分子量聚乙烯來說，其在二氯甲烷中只能實現(xiàn)部分溶解，即使在較高溫度下，超高分子量聚乙烯在二氯甲烷中溶解度仍較低。如果采用二氯甲烷作為高壓閃噴制備超高分子量聚乙烯纖維的溶劑，在紡絲過程中，會出現(xiàn)紡絲流體分層、噴絲不連續(xù)的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致了超高分子量聚乙烯纖維的綜合性能差。

4、中國專利申請cn?101148783?a公開了一種超高分子量聚乙烯纖維制備的干法紡絲工藝方法，包括將超高分子量聚乙烯溶于二甲苯溶劑中，再經(jīng)螺桿擠出機(jī)擠出、紡絲、并干燥去除二甲苯等步驟。該方法雖然能夠制備得到超高分子量聚乙烯纖維，但還必須進(jìn)行去除二甲苯的操作，步驟繁瑣。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中超高分子量聚乙烯纖維紡絲效果差的缺陷，提供一種溶劑組合物，該溶劑組合物可以良好溶解uhmwpe，并使互相纏結(jié)的uhmwpe網(wǎng)絡(luò)蓬松，uhmwpe溶解于本發(fā)明的溶劑組合物后，應(yīng)用于高壓閃噴紡絲制備超高分子量聚乙烯纖維，不易出現(xiàn)紡絲流體分層、斷絲等不良情況，制得的超高分子量聚乙烯纖維具有優(yōu)異的模量和強(qiáng)度。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供上述溶劑組合物的制備方法。

3、本發(fā)明的另一目的在于提供上述溶劑組合物在制備超高分子量聚乙烯纖維紡絲中的應(yīng)用。

4、本發(fā)明的另一目的在于提供一種超高分子量聚乙烯纖維的紡絲方法，該紡絲方法使用上述溶劑組合物作為溶劑。

5、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

6、一種溶劑組合物，包括如下體積百分比的組分：

7、非極性溶劑20～40％，

8、復(fù)合增溶劑0.5～15％，

9、二氯甲烷余量；

10、所述復(fù)合增溶劑包括第一增溶劑和第二增溶劑，所述第一增溶劑為c1～c6一元醇，所述第二增溶劑為聚醚；

11、所述非極性溶劑的溶解度參數(shù)為8.3～10.5。

12、本發(fā)明的溶劑組合物，以二氯甲烷為溶劑基體，復(fù)配一定量的溶解度參數(shù)為8.3～10.5的非極性溶劑和特定的復(fù)合增溶劑，使得該溶劑組合物可以良好溶解超高分子量聚乙烯，并使互相纏結(jié)的超高分子量聚乙烯網(wǎng)絡(luò)蓬松。

13、非極性溶劑主要起到對超高分子量聚乙烯的溶脹作用。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，超高分子量聚乙烯在本發(fā)明的非極性溶劑中，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的溶脹效果，體積發(fā)生一定程度膨脹，從而使超高分子量聚乙烯自身具有的互相纏結(jié)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)蓬松。二氯甲烷主要是能夠滲透進(jìn)超高分子量聚乙烯的分子鏈間，破壞超高分子量聚乙烯分子鏈間的相互作用。通過非極性溶劑、復(fù)合增溶劑以及二氯甲烷的共同作用，促進(jìn)了超高分子量聚乙烯的溶解。本發(fā)明中復(fù)合增溶劑包括第一增溶劑和第二增溶劑，其中第一增溶劑為c1～c6一元醇，第二增溶劑為聚醚。一方面，復(fù)合增溶劑可以降低超高分子量聚乙烯與溶劑相(非極性溶劑、二氯甲烷)間的表面張力，使得兩相界面處的表面活性提高，從而進(jìn)一步提高超高分子量聚乙烯在溶劑組合物中的溶解度；另一方面，由于使用兩種增溶劑進(jìn)行復(fù)配，本發(fā)明的溶劑組合物在常溫、高溫條件下均可實現(xiàn)對于超高分子量聚乙烯的良好溶解。

14、優(yōu)選地，所述非極性溶劑包括丙酮、環(huán)己酮、甲基異丁基甲酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸異丁酯中的至少一種。

15、更優(yōu)選地，所述非極性溶劑為丙酮。

16、丙酮除了具有低毒性的優(yōu)點之外，發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，其對于超高分子量聚乙烯的溶脹效果也相對較優(yōu)。采用丙酮作為非極性溶劑的溶劑組合物，可以使高壓閃噴制得的超高分子量聚乙烯纖維的性能更優(yōu)。

17、優(yōu)選地，所述復(fù)合增溶劑中第一增溶劑占60～85vol％，第二增溶劑占15～40vol％。

18、更優(yōu)選地，所述復(fù)合增溶劑中第一增溶劑占65～75vol％，第二增溶劑占25～35vol％。

19、在復(fù)合增溶劑中，優(yōu)選第一增溶劑的含量占比相對更多。這是由于溶劑組合物在應(yīng)用于高壓閃噴紡絲時，存在由常溫升溫至高溫的過程，由于升溫速率緩慢，需要保證超高分子量聚乙烯能夠長時間在非高溫的溫度下溶解。c1～c6一元醇的沸點低于聚醚，因此優(yōu)選第一增溶劑的量較高。

20、優(yōu)選地，所述第一增溶劑的沸點≤150℃，所述第二增溶劑的沸點為200～350℃。

21、優(yōu)選地，所述第一增溶劑包括甲醇、乙醇、丙醇中的至少一種。更優(yōu)選地，所述第一增溶劑為乙醇。

22、優(yōu)選地，所述聚醚的數(shù)均分子量為400～5000，進(jìn)一步優(yōu)選聚醚的數(shù)均分子量為400-4000。

23、所述聚醚的數(shù)均分子量的測試方法為采用凝膠滲透色譜法進(jìn)行測試。

24、在上述分子量范圍內(nèi)的聚醚對于非極性溶劑、二氯甲烷具有良好的互溶性。此外，發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，聚醚的數(shù)均分子量更高時，對于超高分子量聚乙烯的分散力更優(yōu)，但是聚醚的黏度隨其數(shù)均分子量增加而升高，黏度過高時會對后續(xù)的高壓閃噴紡絲造成一定負(fù)面影響。

25、可選地，所述聚醚包括丙二醇嵌段聚醚、聚丙二醇、聚醚胺中的至少一種。所述聚醚胺可選為端氨基聚氧化丙烯醚，所述丙二醇嵌段聚醚可選為聚醚f-38、聚醚f-64、聚醚f-61、聚醚f-68、聚醚l-64中的至少一種。

26、優(yōu)選地，所述溶劑組合物，包括如下體積百分比的組分：

27、非極性溶劑25～35％，

28、復(fù)合增溶劑5～12％，

29、二氯甲烷余量。

30、本發(fā)明還保護(hù)上述溶劑組合物的制備方法，包括如下步驟：將非極性溶劑、復(fù)合增溶劑和二氯甲烷混合均勻，制得。

31、本發(fā)明還保護(hù)上述溶劑組合物在制備超高分子量聚乙烯纖維紡絲中的應(yīng)用。

32、超高分子量聚乙烯溶解于所述溶劑組合物后，應(yīng)用于高壓閃噴紡絲制備超高分子量聚乙烯纖維，不易出現(xiàn)紡絲流體分層、斷絲等不良情況，制得的超高分子量聚乙烯纖維具有優(yōu)異的模量和強(qiáng)度。

33、本發(fā)明還保護(hù)一種超高分子量聚乙烯纖維的紡絲方法，包括如下步驟：

34、將超高分子量聚乙烯、抗氧劑、礦物油溶于所述溶劑組合物中，混合后得到紡絲流體；

35、在高溫高壓條件下，紡絲流體經(jīng)噴絲孔噴射至常溫常壓環(huán)境，得到所述超高分子量聚乙烯纖維。

36、具體地，將超高分子量聚乙烯、抗氧劑、礦物油溶于所述溶劑組合物中，混合得到紡絲流體后，紡絲流體加至反應(yīng)釜中，通入惰性氣體排出反應(yīng)釜中的空氣，并加壓獲得高壓環(huán)境，進(jìn)一步加熱升溫，使得反應(yīng)釜中環(huán)境達(dá)到高溫高壓條件，開啟噴絲孔閥門，使得紡絲流體通過噴絲孔噴射至常溫常壓環(huán)境，在噴射過程中，紡絲流體中的溶劑組合物迅速蒸發(fā)，剩下的超高分子量聚乙烯經(jīng)噴絲孔的擠壓、牽伸、散射，最終形成含有多條超高分子量聚乙烯纖維的纖維絲束。

37、所述超高分子量聚乙烯的粘均分子量為200-580萬。

38、所述超高分子量聚乙烯的粘均分子量的測試方法為：采用粘度法測量，具體為：用十氫萘作溶劑，溫度為135℃，采用烏氏粘度計測量聚乙烯溶液流出的時間，然后算出聚合物的特性粘數(shù)η；接著按照公式mγ＝5.37×104×[η]1.37所得的mγ即為聚合物的粘均分子量。

39、礦物油作為聚乙烯的良溶劑，可以一定程度上促進(jìn)超高分子量聚乙烯的溶解。氧化劑的添加有助于防止超高分子量聚乙烯在高溫下降解。

40、優(yōu)選地，所述礦物油占溶劑組合物體積的1-4vol％。

41、優(yōu)選地，所述高溫高壓條件為溫度170～200℃，壓力7.0～9.0mpa。

42、優(yōu)選地，所述惰性氣體為二氧化碳、氮氣、氬氣中的至少一種。

43、優(yōu)選地，所述礦物油包括礦物油d60、礦物油d80、礦物油d100、礦物油d130中的至少一種。

44、優(yōu)選地，所述抗氧劑包括抗氧劑1010、抗氧劑168中的至少一種。

45、優(yōu)選地，所述超高分子量聚乙烯占溶劑組合物質(zhì)量的5～16wt.％。

46、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

47、本發(fā)明開發(fā)了一種溶劑組合物，該溶劑組合物可以良好溶解超高分子量聚乙烯，并使互相纏結(jié)的超高分子量聚乙烯網(wǎng)絡(luò)蓬松。超高分子量聚乙烯溶解于本發(fā)明的溶劑組合物后，應(yīng)用于高壓閃噴紡絲制備超高分子量聚乙烯纖維，不易出現(xiàn)紡絲流體分層、斷絲等不良情況，制得的超高分子量聚乙烯纖維具有優(yōu)異的模量和強(qiáng)度。