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均匀设计在UHMWPE纺丝拉伸工艺优化中的应用

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第l7卷第4期 201 7年12月 应 用 技术 学报 V01.17 NO.4 Dec.2017 J()URNA1 OF TECHNOI OGY 文章编号:2096 3424(2017)04—0295—05 DOI:10.3969/j.issn.2096 3424.2017.04.003 均匀设计在U H MWPE纺丝拉伸工艺优化中的应用 郑华强 。, 郑 晗 , 王新威 。 (1.聚烯烃催化技术与高性能材料国家重点实验室,上海200062; 2.上海市聚烯烃催化技术重点实验室,上海200062;3.上海化工研究院,上海200062) 摘 要:以UHMWPE干法初生丝为原料进行三级连续热拉伸。参考均 设计研究了拉伸过程 中的各级温度、拉伸比、进丝速度共7个影响因素对产品丝的强度影响,利 二次多项式逐步回归 优化了工艺条件,并用留一法计算PRESS对模型的预报功能进行验证。 艺优化后的纤维平均 强度可达33.47 cN/dtex,达到了优化的目的。 关键词:超高分子量聚乙烯;纤维;干法纺丝;连续拉仲;均匀设计 中图分类号:TQ 311 文献标志码:J Appl ication of Uniform Design in the Optimization of UHMWPE Fibers Drawing Process ZHENG Huaqiang ~, ZHENG Han1,2,3,WANG Xi” g ,2,。 (1.State Key Laboratory of Polyolefins and Catalysis,Shanghai 200062,China: 2.Shanghai Key Laboratory of Catalysis Technology for PolyolefinsShanghai 200062,China: ,3.Shanghai Research Institute of Chemical Industry,Shanghai 200062China) 。Abstract:A three—stage continuous hot drawing experiment was carried out on as—spun samp1es whit fabricated by dry spinning method.The influence of seven factors in drawing process on the strength of fibers was studied by using the uniform design and quadratic polynomial stepwise regression method,and cross—validation models was used to calculate the predicted residual error sum of squares(PRESS) statistic.The average fiber strength of the optimized process could reach 33.47 cN/dtex. Key words:ultra high molecular weight polyethylene(UHMWPE) ;fiber;dry spinning method: continuous drawing;uniform design (UD) 凝胶纺丝一超倍热拉伸法是目前制备高性能聚 乙烯纤维唯一实现产业化的方法 。超高分子量聚 度和拉伸比是影响纤维强度的关键因素 。在连 续拉伸中,过高的总拉伸比会使纤维产生毛丝、断 丝,影响连续生产的产品质量;而拉伸不足难以制得 乙烯(UHMWPE)纤维在拉伸时,分子链和晶区在 外力的作用下发生取向,结构变得紧密,纤维强度随 之升高 。据高聚物的分子运动理论,温度、外力 高性能纤维,合适的拉伸工艺是制备高强度UHM— WPE纤维的技术关键。 对链段运动有直接影响,有相关研究也证实,拉伸温 在前续研究中,经过长期工艺探索和调整,采用 收稿日期:2017-03 14 基金项目:上海市科委基金项目(15DZ1203200)资助 第一作者: ̄@JN(1978一),男,工程师,本科,主要研究方向为材料加]==与改进通信作者:T_, ̄。E-mail:crisszh@163.com 。(1978一),男,高级工程师,ga-k,主要研究方向为功能高分子材料方面的研究E-mail:、v XV@hotmail.COnl 应 用 技术 学报 第1 7卷 分段多次拉伸的方法,已制得强度为35.04 cN/dtex 的干法纤维 。但分段多次拉伸工序复杂,设备投 入大,对设备稳定性的要求较高,无法一步成型。目 机牵引进入拉伸热风箱中,设定前后两台牵伸机电 机的转动速率 使前后转速比D为各级所需要的 拉伸比,并设置各级风箱的温度T,调节拉伸_厂艺参 数得到不同的样品,收卷后待测试(见图1)。 1级牵伸 2级牵伸 3级牵伸 前生产上大都采用多级拉伸,东洋纺改进的4级拉 伸工艺最为常见[7 ,其中第1级拉伸最为关键,可以 使原丝的初始模量、屈服应力和熔点有所增加;第2 级拉伸为主拉伸,使纤维大分子充分取向和结晶;第 3级为补充拉伸;第4级主要为张力下的热定型作 用。拉伸过程中纤维的结晶度、取向度、长周期都会 初生丝 图1纤维连续拉伸示意图 收卷 增大,晶粒尺寸减小,使纤维的断裂强度和模量都得 到提升。多数对于工艺的研究[ 。 采用单因素考察 Fig.1 Schematic diagram of continuous drawing process 方法,分别考察了温度、拉伸比等因素对纤维强度的 影响。在变量数较多时,单因素实验不仅实验量大, 且无法考虑到因素间的交互作用;在实际拉伸中,前 一级的拉伸温度、形变速率和拉伸比决定了该级的 纤维结构,并影响后一级的拉伸和结果。因此可以 认为拉伸中的各因素具有交互作用,这使得对于单 因素的研究无法直接用于生产工艺的确定与优化。 本文实验参考均匀设计综合考察各因素的影响,以 确定纤维强度最高的优化的拉伸工艺,模型的预报 值也符合纤维的理论强度范围内。 1 实验部分 1.1主要原材料 以粘均分子量600万的UHMWPE为原料,按 照文献[12]的方法,配制好原料液后经双螺杆溶解挤 出,并通过熔体计量泵经由喷丝板喷出。在甬道内氮 气吹扫脱除溶剂十氢萘,并进行一定的预拉伸。最 后收卷得到干法初生丝样品。初生丝的力学性能如 表1所示。经测试,初生丝的真密度为0.945 g/cm。, 粘均分子量为354.8万。 表1 初生纤维的物理性能参数 Tab.1 Physical properties of as-spun fibers 1.2实验设备 电子式拉力机:DI I 一5000型号,上海德杰仪器 设备有限公司;纱线捻度仪:Y311A—II型,南通宏达 实验仪器有限公司;干法纺丝成套设备:上海化工研 究院。 1.3实验方法 将初生丝直接从卷丝简上退绕并上油,经牵伸 将待测的UHMwPE纤维样品在温度(20± 2)℃、湿度(65±3) 的标准大气压下至少平衡48】1; 在该环境下依据《化学纤维长丝线密度试验方法≯ GB/T 14343—2008测试纤维的线密度;强度采用 DXLL-2000型强力仪,依据《高强化纤长丝拉伸性能 试验方法》GB/T 19975—2005在室温下进行测试,其 中测试夹具500 mm,横杆下降速度为250 mm/min, 测10次取平均值和变异系数。变异系数小于10 视为数据可信。 1.4实验设计 纤维在拉伸中影响性能的工艺因素有温度、拉 伸比和形变速率。其中拉伸温度可由风箱,拉 伸比可由牵伸机控制。据应变的定义,纤维在热风 箱中的形变速率可由下式计算: (D 一1)(D 4-1) , 、 y 一’ H——— —一 川 式中: 为第”级的形变速率; 为第”级的进丝速 率;D 一70 /70 为第”级的牵伸比;L 为第”级的 热风箱长度,由设备决定,对本实验为定值。 因此,可得各级的形变速率为 ),1一 l (D 二 旦 ± 2L. yz一 D (D 一1)(D +——— ——一1)  y。一 0 从式(2)可以看出,在拉伸比D为自由变量时, 各级形变速率),均与第1级的进丝速率 有关,因 此形变速率并非自由变量,3级拉伸的全部自由变 量有 l、D1、D2、D3、Tl、T2、T。共7个。 参考本文之前研究 的工艺变量取值范 ,参 考U 。(12 ×6。)}昆合均匀设计表,设计表及结果如 表2所示。 第4期 郑华强,等:均匀设计在UHMWPE纺丝拉伸工艺优化中的应用 297 *注:该组工艺下出现断丝,无法连续拉伸,经重复后仍无法得到样品 2结果与讨论 样本量较小时,模型可能不稳定。为弥补该不 表4共ll组数据模的误差分析 Tab.4 Error analysis of module by all 1 1 sets of data 足,据以往实验经验配置工艺参数,在各变量范围内 加做一组实验(UD一13),以同样方法得到样品并测 试。工艺条件如表3所示。 表3 附加组实验工艺及结果 Tab.3 Experimental parameters and result of additional data set 以初始10组数据同UD一13共11组数据进行 回归分析。 2.1多项式回归 表5共l1组数据模型的检验结果 借助DPS,对均匀试验结果进行二次多项式逐 步回归: y一一1 074 2.937 51+152.594 284 69X 一 10.998 286 138X2X2+0.054 946 838 52X6X6— Tab.5 Test results of module by all 1 1 sets of data 0.489 903 669 1X X7+8.872 979 486X2X。一 4.174 713 133X2X4+0.323 967 103 3X2X6— 0.088 835 080 98X3X5—0.108 163 803 75X6X7 表6 修正后的模型最高指标各因素的组合 Tab.6 The revised model of the highest indicator of the combination of factors (3) 从表4、表5可以看出,模型拟合较好,d=== 1.842 3,模型预报能力可靠。优化得到的拉伸各工 艺参数如表6所示。模型的预报值为34.79 cN/dt— ex,属理论范围内。参考表6工艺,进行3段拉伸, 最终所得产品的强度为33.47 cN/dtex,已经接近 模型值,且达到了优化的目的。使用留一法求取 PRESS进行模型预报功能的验证。 298 应 用 技2.2 留一法求取PRESS PRESS是留一法模型预测的误差平方和。对 实验数据N个样本留下一个点(第i点)做观察,用 (N—1)个数据拟合回归方程,把留下的第i个点作 为预测验证值,求出残差 。以此类推,可得 一Y 一Y (4) N PRESS— (5) 1 对11组数据分别留一组进行二次多项式逐步 回归,得到11个随机模型及 ,对变量进行线性变 换后,在MINITAB中计算PRESS,结果如下所示。 拟合因子:Y(强度)与X ,X X ,Xs Xs, X7 X7,X2 X 3,X2 X4,X2 X6,X3 Xj,X6 X7。 以未编码单位表示的回归方程: y一一1 074 2.9+152.594X ~10.998 3X2X2+ 0.054 947X6X6—0.489 90X7X7—4.174 7X2X4+ 8.873X 2X 3+0.323 97X2X6—0.088 84X3X 5— 0.108 16X6X7 (6) 从表7~9及输出的PRESS一0.788 645,模型 的预报质量非常高,所得方程同DPS中二次多项式 逐步回归模型一致,残差平方和小于1,用留一法 PRESS值对统计模型的预测作整体评估,在本实验 中是可信、可接受的。 从式6可见,模型中并未引入变量X (进丝速 度),这是由于在热拉伸过程中,纤维在高温环境、外 力作用下发生形变,链段产生运动的松弛时间小于 表7 Y的估计效应和系数(已编码单位) Tab.7 Estimation of Y and coefficient(coded unit) 表8 MMINITAB输出的PRESS计算结果 Tab.8 Press calculation result output by M1NITAB 术 学报 第l 7卷 表9 y的方差分析(已编码单位) Tab.9 Variance analysis of l,(Coded unit) 纤维在热箱中的停留时间。说明如果在风箱中的停 留时间足以让纤维升温至设定的拉伸温度,则纤维 实际形变的速度对纤维强度并无实质影响。 从模型可知,变量中最显著的因子为X (3级 牵伸温度),这说明最后1级的拉伸温度对丝的性能 影响较大。将式6中除X 外6个变量赋值为表6 中的最优值,以X 和y作图。 从图2可见,在其余工艺确定时,T。的设定存 在最优值。这是由于在拉伸进行到第三级时,纤维 结晶已经趋于完善,内部结构变得更加紧密有序.链 段运动更加困难,需要更高的拉伸温度(140℃)才 能使拉伸得以进行。但此时纤维的温度已经接近熔 点,继续升高温度会使纤维晶区因熔融而破裂产生 缺陷,影响纤维强度。 图2模型估算的第三级拉伸温度( 1与纤维强度关系 图 Fig.2 Relationship between the third drawing stage tem— perature( )and the fiber strength estimated by the module 第4期 郑华强,等:均匀设计在UHMWPE纺丝拉伸工艺优化中的应用 299 3 结 语 参考均匀设计优化干法纺丝后纺热拉伸过程, 建立了拉伸工艺与纤维强度的回归模型,回归模型 的相关系数达到0.999 9,该模型预报的纤维强度 可达34.79 cN/dtex;工艺条件为:1级拉伸温度125 ℃,2级拉伸温度143℃,3级拉伸温度140℃,1级 拉伸比2.70,2级拉伸比1.95,3级拉伸比1.02,拉 伸进丝速度3.8 m/min。此时的纤维后纺总拉伸倍 率5.37倍。利用留一法验证了模型的预告功能,所 得PRESS=0.788 645,模型预报可靠。 模型验证实验所得样品的测试结果为 33.47 cN/dtex,达到了优化效果,产品强度已高于 国内干法纤维和大部分市售湿法UHMWPE纤维 的性能水平[1 。 但相比国外干法(DSM)所得的产品,仍有一定 的差距。说明干法纺丝制备UHMWPE纤维在性 能上仍然存在一定的提升和优化空间,本课题组也 将在后续研究工作中,继续改进工艺制备性能优异 的UHMWPE纤维,进一步提高国内干法纺丝的工 艺水平和产品质量。 参考文献: [1] 王非,刘丽超,薛平.超高分子量聚乙烯纤维制备技 术进展[J].塑料,2014,43(5):31—35. 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