一种用于超高分子量聚乙烯干法纺丝生产均质加料装置

摘要

本发明涉及一种用于超高分子量聚乙烯干法纺丝生产均质加料装置，该装置包括溶胀釜、搅拌桨以及与搅拌桨传动连接的电动机，还包括设置在溶胀釜底部的下料调节阀、设置在溶胀釜顶部的回流进料口、加料斗以及与加料斗连接的动力泵循环单元，下料调节阀与加料斗之间设有下料弯管，该下料弯管上设有第一流量计，加料斗侧壁还设有溢流口，动力泵循环单元包括溢流管、循环泵以及回流管，循环泵的进口通过溢流管与加料斗连接，出口通过回流管与回流进料口连接，回流管上还设有第二流量计。与现有技术相比，本发明利用自旋涡流对超高分子量聚乙烯共混体系进行搅拌，使其以均质状态进入螺杆，能有效保证干法纺丝生产线纺丝的均匀性。

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料加工制备技术领域，涉及一种加料装置，尤其是涉及 一种用于超高分子量聚乙烯干法纺丝生产均质加料装置。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维的研究起始于20世纪70年代末，最早1979年，荷兰 DSM公司取得第一个关于超高分子量聚乙烯纤维冻胶纺丝技术的专利，然后，在 1986年，美国Allied公司(现在Honeywell公司)购买了DSM的专利使用权，开 始了超高分子量聚乙烯纤维的产业化生产。目前，在纤维专用树脂方面，全球超高 分子量聚乙烯总产能约为17万吨，国内超高分子量聚乙烯产能约为3.5万吨，其 中，德国Ticona、荷兰DSM以及日本旭化成产品中有纤维专用牌号。国内纤维用 超高分子量聚乙烯用量约为1.0万吨/年，其中，约60％依赖进口，随着超高分子 量聚乙烯纤维市场的迅速扩大，市场需求逐渐增多。在超高分子量聚乙烯纤维方面， 国际市场上超高分子量聚乙烯纤维的产品主要有美国Honeywell公司的Spectra系 列，荷兰DSM公司以及日本Toyobo和荷兰DSM建立联合公司的Dyneema系列， 日本Mitsui公司的Tekmilon系列。

超高分子量聚乙烯干法纺丝生产中，超高分子量聚乙烯树脂颗粒共混于十氢萘 溶液中，加热溶胀后，常温常压喂入螺杆挤出机中。超高分子量聚乙烯在共混体系 中沉降较快，一般为了保证均匀进料，常采取一边搅拌一边进料，但随着生产的进 行，搅拌釜内液面高度降低，对螺杆进料口的压力产生变化，不能形成均质进料的 目的，同时，由于十氢萘闪点较低，采用电机搅拌会增加设备的安全隐患。

申请号为200510001942.2的中国发明专利公布了一种均匀悬浮液的连续加料 装置，包括一搅拌容器、搅拌器及出料管，所述的出料管是连接于搅拌容器的侧壁 的中下部，且在出料管的输出管路上设有阀门，而且在出料管的末端设有溢流装置， 在搅拌容器的底部与顶部之间、以及溢流容器底部和搅拌容器顶部之间分别设有循 环装置。该专利公布的技术方案主要是在搅拌容器中下部增加了一根溢流出料管， 用以实现均质加料的目的，但这个装置也存在一定的弊端，搅拌釜内的共混料不能 全部喂入螺杆挤出机，对釜内所加原料的利用率不高。

申请号为201210153488.2的中国发明专利公布了一种均匀加料器，包括一个 加料主管，加料主管是筒状结构，加料主管下面设置有多个分叉连通的加料分管， 加料分管侧面具有开口，所述的加料主管颈部具有转动装置和支架，所述的加料主 管上面还设置有储料仓，储料仓上面有气管和带门的进料口，气管上设置有阀门， 所述的加料主管和加料分管螺丝活动连接，所述的加料分管呈现锥形或圆台形结 构。该专利公布的技术方案虽然能够起到均质加料的目的，但对于超高分子量聚乙 烯干法纺丝来说，共混溶液若带有大量气体进入螺杆内，将对挤出的溶胶液产生很 多气孔，对纺丝的性能产生很大的影响。

查阅相关文献专利，以往的文章或专利中未曾见到在超高分子量聚乙烯干法纺 丝生产中利用自旋涡流来进行搅拌均质进料的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用自旋涡 流对超高分子量聚乙烯共混体系进行搅拌，使其以均质状态进入螺杆，能有效保证 干法纺丝生产线纺丝均匀性的加料装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于超高分子量聚乙烯干法纺丝生产均质加料装置，该装置包括用于盛装 共混溶液的溶胀釜、设置在溶胀釜中用于搅拌共混溶液的搅拌桨以及与搅拌桨传动 连接的电动机，还包括设置在溶胀釜底部的下料调节阀、设置在溶胀釜顶部的回流 进料口、加料斗以及与加料斗连接的动力泵循环单元，所述的下料调节阀与加料斗 之间设有下料弯管，该下料弯管上设有第一流量计，所述的加料斗的出料口与螺杆 挤出机连接，并且所述的加料斗侧壁还设有溢流口，所述的动力泵循环单元包括溢 流口、溢流管、循环泵以及回流管，所述的加料斗通过溢流口与溢流管连通，所述 的循环泵的进口通过溢流管与加料斗连接，出口通过回流管与回流进料口连接，所 述的回流管上还设有第二流量计；

在工作状态下，所述的动力泵循环单元的流量与进给螺杆挤出机的流量之比为 (1～20)：1，优选(5～8)：1。

所述的加料斗的出料口还设有下料孔及圆锥形凸起。

所述的下料孔的孔径为0.1～10mm，所述的圆锥形凸起的底面直径与出料口的 口径之比为(0.1～0.8)：1。

所述的加料斗为圆锥形加料斗或椭圆锥形加料斗，并且所述的加料斗的体积为 0.1～20L。

所述的加料斗的进料口与出料口的距离为1～100mm，优选20～50mm，所述的 溢流口低于进料口0.1～90mm，优选10～30mm，并且所述的溢流口的口径与进料口 的口径之比为(1～10)：1，优选(1.5～2.5)：1。

所述的加料斗的进料口实际上是指下料弯管的出口。

所述的下料弯管的进料方向与加料斗内壁的夹角为0～180°。

所述的加料斗的材质包括不锈钢、碳钢、铸铁、铜、铝、铝合金、陶瓷、玻璃 或聚四氟乙烯中的一种或多种；所述的循环泵包括气动隔膜泵、电动隔膜泵、离心 泵或潜水泵中的一种或多种；所述的第一流量计与第二流量计均为金属浮子流量 计。

所述的共混溶液为超高分子量聚乙烯共混溶液或与超高分子量聚乙烯共混溶 液相类似的悬浮液。

所述的超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为1～30wt％，优选4～15wt％，温度为 0～110℃，优选25～60℃，并且所述的超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙 烯的粘均分子量为100～1000万，优选400万～650万。

所述的超高分子量聚乙烯的状态为溶胀或未溶胀。

所述的超高分子量聚乙烯共混溶液的溶剂包括十氢萘、四氢萘、二甲苯、二氯 苯或石油醚中的一种或多种。

所述的超高分子量聚乙烯共混溶液体系进给螺杆挤出机的均匀性，可以通过螺 杆挤出机主机电流和模头压力的变化来进行评价。

与现有技术相比，本发明将超高分子量聚乙烯共混溶液体系需以均质状态进入 螺杆挤出机，有效确保纺丝的均匀性，采用循环加料的模式，溶胀或未溶胀的超高 分子量聚乙烯共混溶液体系，通过溶胀釜搅拌后，以均质状态进入加料斗，在加料 斗内形成自然涡流搅拌，然后，一部分通过的动力泵循环单元返回至溶胀釜内，另 一部分进给螺杆挤出机中。而加料的均匀性与溶胀釜的下料流量、动力泵循环单元 的循环流量、加料斗的容积、加料斗溢流口的高度等诸多因素有关，本发明未采用 动力电机搅拌加料斗，从而实现了超高分子量聚乙烯共混溶液体系以均质状态进入 螺杆挤出机的目的，不仅操作简单，节省电能，而且确保了工艺操作的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中加料斗的出料口放大结构示意图；

附图标记说明：

1—溶胀釜、2—下料调节阀、3—第一流量计、4—下料弯管、5—加料斗、6 —溢流管、7—循环泵、8—第二流量计、9—回流进料口、10—电动机、11—搅拌 桨、12—进料口、13—出料口、14—回流管、15—溢流口、16—圆锥形凸起、17 —下料孔、a—夹角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示，一种用于超高分子量聚乙烯干法纺丝生产均质加料装置，该装置 包括用于盛装超高分子量聚乙烯共混溶液的溶胀釜1、设置在溶胀釜1中用于搅拌 超高分子量聚乙烯共混溶液的搅拌桨11以及与搅拌桨11传动连接的电动机10， 还包括设置在溶胀釜1底部的下料调节阀2、设置在溶胀釜1顶部的回流进料口9、 加料斗5以及与加料斗5连接的动力泵循环单元，下料调节阀2与加料斗5之间设 有下料弯管4，该下料弯管4上设有第一流量计3，加料斗5的出料口13与螺杆挤 出机连接，并且加料斗5的侧壁设有溢流口15，加料斗5的出料口13还设有下料 孔17及圆锥形凸起16，动力泵循环单元包括溢流口15、溢流管6、循环泵7以及 回流管14，加料斗5通过溢流口15与溢流管6连通，循环泵7的进口通过溢流管 6与加料斗5连接，出口通过回流管14与回流进料口9连接，回流管14上还设有 第二流量计8。

其中，加料斗5为圆锥形加料斗，并且加料斗5的体积为20L，加料斗5的进 料口12与出料口13的距离为100mm，溢流口15低于进料口12，两者的高度差 为40mm，并且溢流口15的口径与进料口12的口径之比为1:1。

本实施例中，下料弯管4进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°。下料孔17 的孔径为4mm，圆锥形凸起16的底面直径与出料口13的口径之比为0.5：1。

本实施例中，加料斗5的材质为聚四氟乙烯，循环泵7为气动隔膜泵，第一流 量计3与第二流量计8均为金属浮子流量计。

在实际生产过程中，超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为30wt％，温度为 60℃，并且超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为650 万；超高分子量聚乙烯的状态为溶胀或未溶胀，超高分子量聚乙烯共混溶液的溶剂 为十氢萘，在工作状态下，动力泵循环单元的流量与进给螺杆挤出机的流量之比为 10：1。超高分子量聚乙烯共混溶液体系进给螺杆挤出机的均匀性，可以通过螺杆 挤出机主机电流和模头压力的变化来进行评价。

实施例2：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量400万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度7％的超高分子量聚乙烯共混体系溶胀后进入加料斗5，温度为25℃，进 料流量为1L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°，溶液进入加料斗5形 成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.48A，模头压力2.8MPa。

实施例3：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量400万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度7％的超高分子量聚乙烯共混体系溶胀后进入加料斗5，温度为25℃，进 料流量为2L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°，溶液进入加料斗5形 成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.42A，模头压力2.6MPa。

实施例4：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量400万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度7％的超高分子量聚乙烯共混体系溶胀后进入加料斗5，温度为25℃，进 料流量为4L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°，溶液进入加料斗5形 成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.42A，模头压力2.6MPa。

实施例5：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量400万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度10％的超高分子量聚乙烯共混体系溶胀后进入加料斗5，温度为25℃， 进料流量为4L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°，溶液进入加料斗5 形成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.51A，模头压力2.9MPa。

实施例6：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量600万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度10％的超高分子量聚乙烯共混体系溶胀后进入加料斗5，温度为25℃， 进料流量为4L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°，溶液进入加料斗5 形成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.72A，模头压力3.2MPa。

实施例7：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量600万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度10％的超高分子量聚乙烯共混体系溶胀后进入加料斗5，温度为25℃， 进料流量为4L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°，溶液进入加料斗5 形成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.72A，模头压力3.2MPa。

实施例8：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量400万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度7％的超高分子量聚乙烯共混体系未溶胀后进入加料斗5，温度为25℃， 进料流量为4L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°，溶液进入加料斗5 形成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.44A，模头压力2.6MPa。

实施例9：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量400万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度7％的超高分子量聚乙烯共混体系溶胀后进入加料斗5，温度为25℃，进 料流量为4L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为30°，溶液进入加料斗5形 成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.45A，模头压力2.7MPa。

实施例10：

以十氢萘为溶剂，选用粘均分子量400万超高分子量聚乙烯树脂，配制质量百 分比浓度7％的超高分子量聚乙烯共混体系溶胀后进入加料斗5，温度为25℃，进 料流量为4L/min，进料方向与加料斗5内壁夹角a为70°，溶液进入加料斗5形 成涡流，以流动状态进入螺杆中，循环泵7选用气动隔膜泵，螺杆稳定后电流为 2.47A，模头压力2.9MPa。

实施例11：

本实施例中，加料斗5为椭圆锥形加料斗，并且加料斗5的体积为12L，加料 斗5的进料口12与出料口13的距离为60mm，溢流口15低于进料口12，两者的 高度差为20mm，并且溢流口15的口径与进料口12的口径之比为6:1。加料斗5 的材质为不锈钢，循环泵7为电动隔膜泵，第一流量计3与第二流量计8均为金属 浮子流量计。

本实施例中，下料弯管4进料方向与加料斗5内壁夹角a为0°。下料孔17 的孔径为3mm，圆锥形凸起16的底面直径与出料口13的口径之比为0.2：1。

在实际生产过程中，超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为24wt％，温度为 45℃，并且超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为100 万；超高分子量聚乙烯共混溶液的溶剂为四氢萘，在工作状态下，动力泵循环单元 的流量与进给螺杆挤出机的流量之比为4:1。其余同实施例1。

实施例12：

本实施例中，加料斗5为圆锥形加料斗，并且加料斗5的体积为2L，加料斗 5的进料口12与出料口13的距离为5mm，溢流口15低于进料口12，两者的高度 差为2mm，并且溢流口15的口径与进料口12的口径之比为1.5:1。加料斗5的材 质为碳钢，循环泵7为离心泵，第一流量计3与第二流量计8均为金属浮子流量计。

本实施例中，下料弯管4进料方向与加料斗5内壁夹角a为120°。下料孔17 的孔径为8mm，圆锥形凸起16的底面直径与出料口13的口径之比为0.8：1。

在实际生产过程中，超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为4wt％，温度为15℃， 并且超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为300万；超高 分子量聚乙烯共混溶液的溶剂为二甲苯，在工作状态下，动力泵循环单元的流量与 进给螺杆挤出机的流量之比为5:1。其余同实施例1。

实施例13：

本实施例中，加料斗5为圆锥形加料斗，并且加料斗5的体积为0.1L，加料 斗5的进料口12与出料口13的距离为1mm，溢流口15低于进料口12，两者的 高度差为0.1mm，并且溢流口15的口径与进料口12的口径之比为1:1。加料斗5 的材质为铸铁，循环泵7为潜水泵，第一流量计3与第二流量计8均为金属浮子流 量计。

本实施例中，下料弯管4进料方向与加料斗5内壁夹角a为60°。下料孔17 的孔径为5mm，圆锥形凸起16的底面直径与出料口13的口径之比为0.6：1。

在实际生产过程中，超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为6wt％，温度为25℃， 并且超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为500万；超高 分子量聚乙烯共混溶液的溶剂为石油醚，在工作状态下，动力泵循环单元的流量与 进给螺杆挤出机的流量之比为8:1。其余同实施例1。

实施例14：

本实施例中，加料斗5为圆锥形加料斗，并且加料斗5的体积为1L，加料斗 5的进料口12与出料口13的距离为20mm，溢流口15低于进料口12，两者的高 度差为10mm，并且溢流口15的口径与进料口12的口径之比为2.5:1。加料斗5 的材质为铜，循环泵7为潜水泵，第一流量计3与第二流量计8均为金属浮子流量 计。

本实施例中，下料弯管4进料方向与加料斗5内壁夹角a为30°。下料孔17 的孔径为2mm，圆锥形凸起16的底面直径与出料口13的口径之比为0.4：1。

在实际生产过程中，超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为15wt％，温度为 30℃，并且超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为800 万；超高分子量聚乙烯共混溶液的溶剂为二氯苯，在工作状态下，动力泵循环单元 的流量与进给螺杆挤出机的流量之比为12:1。其余同实施例1。

实施例15：

本实施例中，加料斗5为圆锥形加料斗，并且加料斗5的体积为18L，加料斗 5的进料口12与出料口13的距离为100mm，溢流口15低于进料口12，两者的高 度差为90mm，并且溢流口15的口径与进料口12的口径之比为10:1。加料斗5的 材质为铝合金，循环泵7为电动隔膜泵，第一流量计3与第二流量计8均为金属浮 子流量计。

本实施例中，下料弯管4进料方向与加料斗5内壁夹角a为90°。下料孔17 的孔径为10mm，圆锥形凸起16的底面直径与出料口13的口径之比为0.1：1。

在实际生产过程中，超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为30wt％，温度为 110℃，并且超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为1000 万；超高分子量聚乙烯共混溶液的溶剂为十氢萘、四氢萘及二甲苯按质量比为2:1:1 的混合溶剂，在工作状态下，动力泵循环单元的流量与进给螺杆挤出机的流量之比 为20:1。其余同实施例1。

实施例16：

本实施例中，加料斗5为圆锥形加料斗，并且加料斗5的体积为8L，加料斗 5的进料口12与出料口13的距离为50mm，溢流口15低于进料口12，两者的高 度差为30mm，并且溢流口15的口径与进料口12的口径之比为3:1。加料斗5的 材质为陶瓷，循环泵7为离心泵，第一流量计3与第二流量计8均为金属浮子流量 计。

本实施例中，下料弯管4进料方向与加料斗5内壁夹角a为45°。下料孔17 的孔径为0.8mm，圆锥形凸起16的底面直径与出料口13的口径之比为0.6：1。

在实际生产过程中，超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为1wt％，温度为0℃， 并且超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为100万；超高 分子量聚乙烯共混溶液的溶剂为十氢萘及二甲苯按质量比为3:1的混合溶剂，在工 作状态下，动力泵循环单元的流量与进给螺杆挤出机的流量之比为1:1。其余同实 施例1。

实施例17：

本实施例中，加料斗5为圆锥形加料斗，并且加料斗5的体积为15L，加料斗 5的进料口12与出料口13的距离为80mm，溢流口15低于进料口12，两者的高 度差为20mm，并且溢流口15的口径与进料口12的口径之比为2:1。加料斗5的 材质为玻璃，循环泵7为离心泵，第一流量计3与第二流量计8均为金属浮子流量 计。

本实施例中，下料弯管4进料方向与加料斗5内壁夹角a为80°。下料孔17 的孔径为2mm，圆锥形凸起16的底面直径与出料口13的口径之比为0.5：1。

在实际生产过程中，超高分子量聚乙烯共混溶液的浓度为22wt％，温度为 100℃，并且超高分子量聚乙烯共混溶液中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为550 万；超高分子量聚乙烯共混溶液的溶剂为十氢萘与石油醚按质量比为3:1的混合溶 剂，在工作状态下，动力泵循环单元的流量与进给螺杆挤出机的流量之比为7:1。 其余同实施例1。

实施例18：

本实施例中，加料斗5的材质为铝，其余同实施例1。

实施例19：

本实施例中，加料斗5的材质为铜，其余同实施例1。