АППАРАТ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ И СПОСОБ ВЫТЯЖКИ ПОЛИОЛЕФИНОВЫХ ВОЛОКОН
DEVICE TO HEAT AND METHOD TO DRAW POLYOLEFINE FIBRES

Область техники.
Данное изобретение относится к аппарату для нагревания при вытяжке полиолефиновых волокон и к способу вытяжки таких волокон.
Уровень техники.
Высокопрочные полиолефиновые волокна, такие как сформованные из геля полиэтиленовые волокна, хорошо известны в предшествующем уровне техники. Сверхвысокомолекулярные полиолефины включают полиэтилен, полипропилен, поли(бутен-1), поли(4-метил-пентен-1), их сополимеры, смеси и аддукты. Волокна получают из сверхвысокомолекулярных полиолефинов, а в случае полиэтиленовых волокон, из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE). Получение и вытяжка таких волокон описаны в различных патентных публикациях, включая патенты США №№ 4413110, 4430389, 4436689, 4536536. 4545950, 4551296, 4612148, 4617233, 4663101, 5032338,5246657, 5286435, 5342567, 5578374, 5736244, 5741451, 5958582, 5972498, 6448359, 6969553 и заявку США на патент 2005/0093200. Печь для вытяжки волокон также описана в заявке США на патент № 2004/0040176.
Высокопрочные нити пригодны во многих областях, такие как амортизирующие и баллистически устойчивые изделия. Они включают бронежилеты, шлемы, экраны летательных аппаратов и композиционное спортивное оборудование. Они также используются в рыболовстве, парусном спорте, для изготовления веревок и тканей.
При типичной конфигурации вытяжки, сформованные из геля волокна, получают прядением раствора сверхвысокомолекулярного полиэтилена, охлаждением элементарных волокон до гелеобразного состояния и последующим удалением прядильного раствора. Спряденные волокна затем вытягивают в высокоориентированном состоянии. В процессе вытяжки спряденные волокна обычно вначале подают на первый набор нагретых валков, затем пропускают через одну или более печей (обычно через четыре), затем подают на второй набор нагретых валков, после этого пропускают через одну или более дополнительных печей (обычно через две) и, наконец, подают на третий набор нагретых валков перед наматыванием волокна или нитей. Скорость и температура валков регулируются, как и температура и температурный профиль в печах, для получения желательной степени вытяжки и желательных свойств изделий - волокна или нитей. Волокна подвергают двухстадийной вытяжке в соответствии с этой конфигурацией.
Хотя такая конфигурация обеспечивает получение высококачественных волокна и нитей, весь процесс требует больших расходов вследствие наличия множества нагревательных зон и наборов валков, производительность этого процесса ограничена. Поэтому желательно создать такую конфигурацию печи для полиэтиленовых волокон, которая требовала бы при работе меньших расходов и позволяла получать вытянутые волокна или нити с более высокой скоростью.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с данным изобретением предусмотрен аппарат для нагревания, пригодный для вытяжки сверхвысокомолекулярных полиолефиновых волокон, при этом аппарат для нагревания включает:
первый набор валков;
множество расположенных на одной прямой печей, имеющих один конец примыкающий к первому набору валков и противоположный конец, и
второй набор валков, примыкающих к противоположному концу множества печей, причем первый и второй набор валков адаптированы для получения желательной вытяжки полиолефиновых волокон.
В соответствии с данным изобретением предусмотрен также способ вытяжки сверхмолекулярных полиолефиновых волокон, при этом способ включает пропускание волокон через аппарат для нагревания, причем аппарат для нагревания включает:
множество расположенных на одной прямой печей, имеющих один конец примыкающий к первому набору валков и противоположный конец, и
второй набор валков, примыкающих к противоположному концу множества печей, причем первый и второй набор валков адаптированы для получения желательной вытяжки полиолефиновых волокон и
вытяжку волокон между первым набором валков и вторым набором валков до заданной степени вытяжки.
Было установлено, что путем модификации известной конфигурации вытяжки за счет удаления второго набора валков и обеспечения ряда горизонтальных печей полиолефиновые волокна, такие как полиэтиленовые волокна с желаемыми свойствами, могут быть получены при небольших капитальных расходах, низкой стоимости процесса и с большей производительностью. Такие волокна имеют также улучшенные свойства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Данное изобретение станет более понятным и его преимущества станут более очевидными при ссылке на следующее подробное описание предпочтительных вариантов изобретения и прилагаемых чертежей, на которых:
На Фиг.1 показано схематическое изображение типичной конфигурации печи, используемой при вытяжке полиэтиленовых волокон.
На Фиг.2 представлено схематическое изображение конфигурации печи по изобретению, которая пригодна при вытяжке сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение включает аппарат для вытяжки сверхвысокомолекулярных полиолефиновых волокон и способ вытяжки таких волокон.
Для целей данного изобретения волокно обозначает удлиненное тело, длина которого гораздо больше, чем ширина и толщина. Соответственно, термин “волокно” обозначает одну или многие монофиламентные, мультифиламентные, ленточные, пластинчатые, штапельные формы рубленого, резаного или непрерывного волокна и т.п., имеющие правильное или неправильное поперечное сечение. Термин “волокно” включает множество любых указанных выше форм или их комбинацию.
Нить представляет собой непрерывный пучок, состоящий из множества волокон или филаментов.
Поперечное сечение волокон по изобретению может меняться в широких пределах. Они могут быть круглыми, плоскими или продолговатыми в поперечном сечении. Они могут иметь поперечное сечение неправильной или правильной формы, состоящей из многих долей, иметь одну или более долей правильной или неправильной формы, простирающихся вдоль продольной оси волокон. Предпочтительно, чтобы волокна были практически круглыми, плоскими или имели продолговатое поперечное сечение, наиболее предпочтительны практически круглые волокна.
Сверхвысокомолекулярные полиолефины, применяемые по данному изобретению, включают полиэтилен, полипропилен, поли(бутен-1), поли(4-метил-пентен-1), их сополимеры, смеси и аддукты. Эти полимеры обычно имеют характеристическую вязкость, измеренную в декалине при температуре равной 135°С, равную от примерно 5 до примерно 45 дл/г.
Предпочтительно, когда подаваемые на вытяжку волокна выполнены из полиэтилена, имеющего характеристическую вязкость в декалине, равную от примерно 8 до 40 дл/г, более предпочтительно, от примерно 10 до 30 дл/г и, наиболее предпочтительно, от примерно 12 до 30 дл/г. Предпочтительно, чтобы волокна, которые подвергаются вытяжке, были выполнены из полиэтилена, содержащего менее чем примерно одну метильную группу на тысячу атомов углерода, более предпочтительно менее 0,5 метильной группы на тысячу атомов углерода и менее примерно 1 вес.% других составляющих. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен может содержать небольшие количества, обычно менее примерно 5 вес.% и, предпочтительно, менее примерно 3 вес.% добавок, таких как антиоксиданты, термостабилизаторы, красители, добавки, способствующие текучести, растворители и т.п.
Сформованные из геля полиэтиленовые волокна, подвергаемые вытяжке по изобретению, могут быть предварительно уже вытянуты, или могут быть по существу в невытянутом состоянии. Способ формования из геля полиэтиленовых волокон может быть одним из способов, описанных, например, в любом из патентов США №№4551296, 4663101, 5741451 и 6448659.
В случае полиэтилена подходящими являются волокна со средневесовым молекулярным весом, равным по меньшей мере примерно 150000, предпочтительно по меньшей мере примерно 1 млн. и, более предпочтительно, между примерно 2 млн. и примерно 5 млн. В случае высокомолекулярных полипропиленовых волокон полимер может иметь средневесовой молекулярный вес, равный по меньшей мере примерно 200000, предпочтительно по меньшей мере примерно 1 млн. и, более предпочтительно, по меньшей мере примерно 2 млн.
Прочность исходных волокон может составлять от примерно 2 до 76, предпочтительно от примерно 5 до 66, более предпочтительно от примерно 7 до 51 г/денье (г/д), эту величину измеряют в соответствии с ASTM D 2256-97 при длине 10 дюймов (25,4 см) и при скорости растяжения 100 %/мин.
В следующем ниже описании обычно упоминаются полиэтиленовые волокна, но следует иметь в виду, что описание относится и к другим полиолефиновым волокнам.
На Фиг.1 представлена схема типичной стадии вытяжки 10 для сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон. Волокна 12 подают из источника волокон (не показан) и пропускают через первый набор 14 валков 16. Эти валки обычно нагреты до нужной температуры. Волокна 18, выходящие из валков, подают в четыре смежных горизонтальных нагревательных аппарата (печи), из них показаны только два - 20, 22. Эти печи могут быть аппаратами с циркулирующим горячим воздухом. Волокна 24, выходящие из первого набора печей, затем проходят через второй набор 26 валков 28 и вытягиваются в виде нитей 30. Нити 30 затем подают в две смежные печи 32, 34, которые также могут быть печами с циркулирующим горячим воздухом, и ниже 36, выходящие из печи 34 затем подают на третий набор 38 валков 40 и они снова вытягиваются в нужной степени. Готовые волокна 42 затем подаются на наматывающее приспособление (не показано). Используя три набора валков, осуществляют двухстадийную вытяжку.
На Фиг.2 показано схематическое изображение аппарата для нагревания 110 согласно данному изобретению. Сверхвысокомолекулярные полиэтиленовые волокна 112 подают из источника (не показан) и пропускают через первый набор 114 ведомых валков 116. Эти валки не должны быть нагреты, хотя предпочтительно, чтобы не нагретыми были несколько первых валков, а остальные валки были нагретыми, чтобы предварительно нагреть волокна перед вытяжкой. Хотя на Фиг.2 показаны всего 7 валков, их количество может быть больше или меньше в зависимости от желаемой конфигурации. Волокна 118 подают в шесть смежных горизонтальных печей 120, 122, 124, 126, 128, 130, все из которых предпочтительно представляют собой печи с циркулирующим горячим воздухом. Предпочтительно, чтобы в печах волокна не поддерживались. Волокна 132, выходящие из последней печи 130, затем проходят через второй набор 134 ведомых валков 136 и вытягиваются с получением готовых волокон 138. Второй набор 134 валков 136 должен быть ненагретым с тем, чтобы готовые волокна охлаждались до температуры, по меньшей мере ниже примерно 90°С под напряжением для сохранения их ориентации и морфологии. Количество валков во втором наборе 134 может быть больше или меньше 7 валков, показанных на Фиг.2, и может быть таким же или отличаться от количества валков в первом наборе 114. Волокна 138, выходящие из второго набора валков 134, подают затем на приспособление для наматывания (не показано). При применении только двух наборов валков волокна подвергаются одностадийной вытяжке. Волокна вытягиваются между первым набором валков 114 и вторым набором валков 134. Натяжение регулируют таким образом, чтобы волокна в печах не нужно было поддерживать. Таким образом, нет необходимости применять направляющие валки или другие поддерживающие приспособления в различных печах.
Можно видеть, что вариант изобретения, показанный на Фиг.2, является самым простым, для него требуются только два набора валков. Средний набор валков в обычном аппарате устранен и заменен двумя дополнительными печами с горячим воздухом. Кроме того, не все валки из подающего набора валков нуждаются в нагревании, могут быть нагреты только валки, ближайшие ко входу в печь. Например, согласно одному варианту с конфигурацией набора из девяти валков предпочтительно нагревать только последние три валка, ближайшие ко входу в печь.
Согласно альтернативному варианту центральные печи (124, 126) не входят в состав аппарата для нагревания, но средний набор валков обычной конфигурации устранен и используются всего четыре горизонтальные печи (120, 122, 128 и 130).
Количество и размер печей, используемых в аппарате для нагревания, по изобретению могут меняться. Предпочтительно применять или четыре, или шесть печей, расположенных горизонтально на одной линии. Эти печи могут отличаться по длине. Например, каждая печь может быть длиной от примерно 10 до примерно 16 футов (3,05-4,88 м), более предпочтительно, от примерно 11 до примерно 13 футов (3,35-3,96 м), ширина печи может быть любой.
Путем измерений температуры и скорости подачи волокон при осуществлении типичного процесса вытяжки волокон было установлено, что волокна, которые нагреваются первым набором валков, уже охлаждаются прежде, чем они достигнут первого набора печей (печи 20, 22). В результате часть первого набора печей используется скорее для нагрева волокон, чем для их вытяжки. В то время как второй набор валков 26 нагревает волокна снова, они уже начали охлаждаться прежде, чем они достигнут второго набора печей (печи 32, 34). Подобным образом часть печей из второго набора используется скорее для нагрева волокон, чем для их вытяжки. Этот процесс, в котором волокна подвергаются нагреванию, охлаждению, нагреванию, охлаждению, как оказалось, не является эффективным для достижения высокой степени вытяжки, необходимой для получения высокого разрывного (разрушающего) напряжения (UTS), высокой прочности и высокого модуля. Кроме того, выход уменьшается, капитальные расходы возрастают из-за необходимости в наличии трех наборов валков.
Было установлено, что путем устранения среднего набора валков волокно не подвергается нагреванию, охлаждению, нагреванию, охлаждению, что имеет место в обычном способе. Скорее, волокна удерживают тепло, необходимое для непрерывной вытяжки волокон. Таким образом, можно получать с более высокими скоростями волокна, и они имеют повышенные прочность, модуль и разрывное напряжение. Расположение печей на одной прямой линии также повышает эффективность процесса.
Можно видеть, что аппарат для нагревания позволяет проводить непрерывно одностадийную вытяжку волокна или нитей при нагревании с применением только двух наборов валков. Кроме того, аппарат и способ по изобретению могут функционировать для вытяжки волокна не до максимальной степени вытяжки, чтобы уменьшить возможность появления разрушенных волокон.
Температура и скорость волокна при прохождении через аппарат для нагревания могут меняться по желанию. Например, в печах могут быть одна или более зон с контролируемой температурой, при этом каждая зона имеет температуру от примерно 125°С до примерно 160°С, более предпочтительно от примерно 130°С до примерно 150°С. Предпочтительно контролировать температуру в такой зоне таким образом, чтобы она менялась менее чем на ±2°С (всего менее чем на 4°С), более предпочтительно менее чем на ±1°С (всего менее чем на 2°С).
При вытяжке волокна образуется тепло. Желательно, чтобы происходила эффективная передача тепла между волокном и воздухом в печи. Предпочтительно, чтобы циркулирующий в печи воздух был в турбулентном состоянии. Усредненная во времени скорость воздуха вблизи волокон предпочтительно составляет от примерно 1 до примерно 200 м/мин, более предпочтительно, от примерно 2 до примерно 100 м/мин и, наиболее предпочтительно, от примерно 5 до примерно 100 м/мин.
Как указывалось выше, путь волокна в аппарате для нагревания 110 предпочтительно представляет собой почти прямую линию от входа до выхода в разных печах. Профиль напряжения волокна можно регулировать путем изменения скорости различных валков или путем регулирования температурного профиля в печи. Натяжение волокна может быть увеличено путем увеличения разности между величинами скоростей последовательных ведомых валков или путем уменьшения температуры в печах. Предпочтительно, чтобы напряжение волокна в печах было примерно постоянным или возрастало при прохождении через печи.
Обычно многочисленные упаковки сформованных из геля полиэтиленовых волокон, которые нужно подвергнуть вытяжке, помещают на бобинодержатель. Многочисленные концы волокон подают параллельно из бобинодержателя через первый набор валков, которые задают скорость подачи в печь для вытяжки и, следовательно, во все печи и затем их пропускают через второй набор валков, которые определяют скорость выхода волокон, а также охлаждают волокна под натяжением. Напряжение волокон во время охлаждения поддерживается таким, чтобы удерживать волокно по всей его вытягиваемой длине от термического контакта.
Предельная степень вытяжки волокон может меняться в зависимости от желаемых свойств волокон. Например, степень вытяжки может меняться от примерно 1,1:1 до примерно 15:1, более предпочтительно, от примерно 1,2:1 до примерно 10:1 и, наиболее предпочтительно, от примерно 1,5:1 до примерно 10:1.
Скорость прохождения волокон через аппарат для нагревания по изобретению также может меняться. Например, типичные линейные скорости, измеряемые по скорости второго набора валков, могут составлять от примерно 20 до 100 м/мин, более предпочтительно от примерно 30 до примерно 50 м/мин. Линейная скорость зависит также от нужной величины денье волокна.
Аппарат и способ по изобретению можно применять для получения высокопрочных волокон. Используемый в данной заявке термин “высокопрочные волокна” означает волокна, прочность которых равна или больше, чем примерно 7 г/д. Предпочтительно, чтобы эти волокна имели первоначальную величину модуля упругости при растяжении, равную примерно 150 г/д и величину энергии разрушения равную примерно 8 Дж/г, измеренную в соответствии с ASTM D 2256. Используемые в данной заявке термины “первоначальная величина модуля упругости при растяжении”, “модуль упругости при растяжении” и “модуль” означают модуль упругости, измеренный для волокна в соответствии с ASTM 2256.
В зависимости от метода формования, величины степени вытяжки и величины температур, а также других условий описанным волокнам могут быть приданы различные свойства. Прочность полиэтиленовых волокон составляет по меньшей мере примерно 7 г/д, предпочтительно по меньшей мере примерно 15 г/д, более предпочтительно, по меньшей мере примерно 20 г/д, еще более предпочтительно, по меньшей мере примерно 25 г/д и, наиболее предпочтительно, по меньшей мере примерно 30 г/д. Точно так же, первоначальная величина модуля упругости при растяжении волокон, измеренная на приборе Instron, предпочтительно составляет по меньшей мере 300 г/д, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 500 г/д, еще более предпочтительно, по меньшей мере примерно 1000 г/д и наиболее предпочтительно, по меньшей мере примерно 1200 г/д. Согласно наиболее предпочтительному варианту волокна после вытяжки имеют прочность, величина которой равна по меньшей мере примерно 35 г/д и модуль, величина которого равна по меньшей мере примерно 1200 г/д. Многие из филаментов имеют температуры плавления, которые выше, чем температура плавления полимера, из которого они сформованы. Так, например, высокомолекулярный полиэтилен с молекулярным весом около 150000, около 1 млн. и около 2 млн. обычно имеет в массе температуру плавления 138°С. Высокоориентированные полиэтиленовые волокна, полученные из этих полимеров, имеют температуры плавления на примерно 7°С-13°С выше. Таким образом, небольшое увеличение температуры плавления отражает совершенную кристаллическую структуру и более высокую кристаллическую ориентацию волокон по сравнению с объемным полимером.
Полученные волокна могут иметь любую величину титра волокна (денье), такую как от примерно 50 до примерно 3000 денье, более предпочтительно, от примерно 75 до примерно 2000 денье. Примеры волокон с меньшей величиной денье, включают волокна, характеризующиеся титром волокна, равным 75, 100, 130, 150, 180, 215, 375 и 435 денье. Примеры волокон с большей величиной денье, включают волокна, денье которых равен 900, 1100 и 1300. Денье подаваемого волокна выбирают в зависимости от желаемой величины денье вытянутых волокон. Например, для получения волокон с денье равным 1300, исходное волокно может иметь денье равный 2400, таким образом, степень вытяжки равна примерно 1,85:1. Для получения волокна с денье равным 375, исходное волокно может иметь денье равный 650, степень вытяжки равна примерно 1,73.
Волокна, полученные в аппарате способом по данному изобретению, могут применяться в области демпфирующих материалов и изделий, устойчивых к баллистическим ударам, например, для изготовления брони (пуленепробиваемых жилетов и т.п.), шлемов, защитных перегородок и сидений на воздушном транспорте, композиционного спортивного оборудования, для изготовления рыболовных принадлежностей, парусов, веревок и тканей (например, тканых, трикотажных и оплеточных или нетканых). Типичные нетканые материалы включают ориентированные в одном направлении волокна. Ткани, полученные из таких волокон, можно применять вместе с матричной смолой. Волокна могут быть смешаны с волокнами других видов также высокопрочными обычными волокнами.
Ниже представлены неограничивающие примеры для лучшего понимания изобретения. Конкретные методы, условия, материалы, количества и данные приведены для иллюстрации принципов данного изобретения только как примеры и не ограничивают объем настоящего изобретения.
ПРИМЕРЫ
Пример 1 (сравнительный).
Сверхвысокомолекулярные волокна из полиэтилена подвергают вытяжке в две стадии с применением конфигурации аппарата для нагревания, которая включает первый набор из четырех печей и второй набор из двух печей вместе с первым набором валков, промежуточным вторым набором валков и третьим набором валков, как это показано на Фиг.1.
Длина каждой печи равна 12 фут (3,66 м), первый набор печей имеет общую длину 48 фут (14,63 м) и второй набор печей имеет общую длину 24 фут (7,32 м).
Температура валков: первый набор =125°С, второй набор =125°С и третий набор =25°С. Температура печей в первом и втором наборе равна 150°С.
Денье исходного волокна равен 2400, денье полученного волокна составляет 1100, степень вытяжки равна 2:2:1. Скорость валков в первом наборе равна 16 м/мин, скорость валков во втором наборе - 26 м/мин и скорость валков в третьем наборе равна 34 м/мин.
Прочность полученного волокна составляет от 35 до 37 г/д и первоначальная величина модуля упругости при растяжении равна от 1150 до 1200 г/д.
Пример 2.
В этом примере сверхвысокомолекулярные волокна из полиэтилена вытягивают в одну стадию с применением конфигурации печи, которая включает набор из шести расположенных горизонтально на одной линии печей, как показано на Фиг.2. Используют только два набора валков для ввода (первый набор) и для вывода (второй набор).
Длина каждой печи равна 12 фут (3,66 м), общая длина 6 печей составляет 72 фут (21,95 м).
Первый набор валков имеет температуру, равную 125°С, валки во втором наборе имеют температуру, равную 25°С. Температура в каждой печи равна 150°С.
Денье исходного волокна составляет 2400, денье конечного волокна равен 1100, а степень вытяжки равна 2:1:1. Скорость валков первого набора равна 20 м/мин, скорость валков второго набора составляет 44 м/мин.
Прочность полученного волокна равна от 37 до 39 г/д, первоначальная величина модуля упругости при растяжении составляет от 1250 до 1300 г/д.
Аппарат для нагревания, используемый в примере 2 в способе по примеру 2, позволяет получить волокна с более высокой прочностью и более высоким модулем, чем у волокон, полученных в конфигурации аппарата для нагревания в примере 1. Кроме того, линейная скорость в примере 2 значительно выше, чем в примере 1, поэтому производительность процесса по изобретению выше.
Можно видеть, что данное изобретение предусматривает аппарат и способ для получения вытянутых сверхвысокомолекулярных волокон и нитей из полиолефинов, способ является экономичным и простым. Полученные волокна имеют желательные свойства, что делает их пригодными для применения в различных важных областях.
С учетом приведенного выше довольно подробного описания следует иметь в виду, что могут быть осуществлены изменения и модификации, очевидные для специалиста, все они входят в объем изобретения, определяемые формулой изобретения.