超高分子量聚乙烯熔融纺丝的小口径挤出畸变机理研究

Extrusion distortion is a key problem of processing melt spun ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber. As-spun filaments can not be hot stretched with high ratio when extrusion distortion occurred. Distortion can not be avoided when UHMWPE melt which was high viscoelastic due to ultra-high molecular weight and ultra-long molecular chains was extruded through an orifice with small diameter. Researches in this paper are based on mechanism of distortion, dynamics of melt spun in small flow channel and research of the flow induced crystallization. A three-phase flow model of UHMWPE materials system will be built. Deformation, slippage and fracture of material component will be predicted in flow field. Relationship between crystal structure and extrusion distortion is studied in microscale. The influence of process parameters , parameters of flow channel and material component on extrusion distortion will be revealed. Distortion theory of extruding UHMWPE through a small channel is proposed. Process conditions of melt spun filaments without distortion will be confirmed, which will lay the theoretical foundation for extended application of melt-spinning UHMWPE process .

熔融纺丝法制备超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维时，初生丝的挤出畸变现象一直是制约熔纺工艺工业化发展的关键问题，这将导致初生丝无法实现多倍热牵伸，从而限制了纤维强度的进一步提升。由于UHMWPE分子量极大、分子链超长，其高粘弹性导致在小口径挤出时几乎不可避免产生熔体破裂的现象一直困扰工程界和研究者。本项目结合工程实践，以熔体破裂机理研究、小口径收敛流道熔纺动力学研究及流动诱导结晶过程分析为基础，建立适用于UHMWPE原料体系的三相流变模型，预测原料组分在混合流场中的形变、滑移和破裂行为，从微观角度探明初生丝晶体结构与挤出畸变现象的表征关系，揭示工艺参数、流道结构及原料体系对挤出畸变的影响规律，提出UHMWPE在小口径流道挤出过程中产生熔体破裂现象的畸变理论。确定熔纺法挤出无畸变UHMWPE初生丝的工艺原则，为实现生产低成本中高强UHMWPE纤维，拓展其在民用领域的应用范围奠定理论基础。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是一种高性能特种纤维，广泛应用于各种领域。目前国内外工业化制备UHMWPE纤维的方法主要为凝胶纺丝法（采用十氢萘、矿物油等溶剂），存在能源消耗大及污染环境问题，生产成本高。熔融纺丝工艺过程不需要溶剂、萃取剂，制备过程简化，生产流程缩短，生产过程无污染，符合绿色制造工艺的要求，可实现降低成本生产中高强UHMWPE纤维，拓展其在民用领域的应用范围。由于UHMWPE粘均分子量极大、分子链超长，其高粘弹性导致在小口径挤出时几乎不可避免产生熔体破裂的现象一直困扰着工程界和研究者。本项目结合工程实践，以熔体破裂机理研究、小口径收敛流道熔纺动力学研究及流动诱导结晶过程分析为基础，建立适用于UHMWPE原料体系的三相流变模型，预测原料组分在混合流场中的形变、滑移和破裂行为，从微观角度探明初生丝晶体结构与挤出畸变现象的表征关系，揭示流率、温度等工艺参数和开孔数、长径比、压缩角等流道结构参数及原料组分体系对挤出畸变的影响规律。纳米SiO2粒子在PE基体的共混体系中存在一定的界面黏附作用，限制了纳米共混物料在口模区域的黏性流动以及分子链离开口模后的构象恢复，从而在剪切速率上促使流动不稳定现象提前发生，在剪切应力上延迟了鲨鱼皮畸变。基于UHMWPE的熔融纺丝应用，开发了UHMWPE/HDPE/SiO2纺丝改性原料体系，提升原料的可纺性及纺丝连续性，研究了UHMWPE/HDPE/SiO2改性体系的流变特性及畸变机理。分析了纺丝工艺对纳米共混纤维结构及力学性能的影响，揭示了纳米颗粒在共混初生丝和共混纤维的微观结构演变过程中所起到的关键作用。UHWMPE和添加40 wt% HDPE共混纤维的拉伸强度和初始模量分别为997.2MPa和8.94GPa，再添加0.51 wt% 改性纳米SiO2时，拉伸强度和初始模量分别提高到1211MPa和12.81GPa。当采用空气冷却方式、纺丝温度为310℃和热牵伸温度为85℃时纤维的力学性能最佳。确定了熔纺法挤出无畸变UHMWPE初生丝和纤维的工艺原则，为实现生产低成本中高强UHMWPE纤维，拓展其在民用领域的应用范围奠定理论基础。