[发明专利]超高分子量聚乙烯冻胶颗粒的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及超高分子技术领域，尤其涉及一种利用超临界CO₂制造超高分子量聚乙烯冻胶颗粒的制备方法。本发明还涉及利用超高分子量聚乙烯冻胶颗粒制造高强PE纤维或超高分子量聚乙烯薄膜的应用。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维或湿法PE二次锂电隔膜诞生并实现工业生产以来，聚合物的挤出成型技术一直停留在溶剂和溶质简单混配，组成低浓度溶液在双螺杆挤出机中完成溶胀、溶解，然后通过模口挤出成型。无论是形成的冻胶丝，还是冻胶膜，其品质好坏直接影响到纤维力学性能和二次锂电隔膜的物理性能。而影响冻胶丝或冻胶膜品质的主要因素在于超高分子量聚乙烯由无限长柔性分子链组成，欲提高冻胶丝或冻胶膜品质，需对其微观凝聚相态结构的形态及尺寸可控。而至今业界是直接把超高分子量聚乙烯在溶剂中进行溶解挤出，受溶剂溶解能力、浓度、温度、停留时间、降解以及大分子缠结度影响，使得冻胶体微结构存在不均匀状况，从而影响最终制品的质量，同时也限制了生产制造过程聚合物初始浓度的提高，从而影响了生产效率和成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用超临界CO₂流体制造超高分子量聚乙烯冻胶颗粒的制备方法及其应用。

本发明采用的技术方案是：

超高分子量聚乙烯冻胶颗粒的制备方法，首先将超高分子量聚乙烯粉末与聚乙烯溶剂以质量比为6～30：100的比例加入到混合釜中，然后将混合后的浆液由高压泵输送至温度为80～300℃的双螺杆挤出机内，同时将CO₂储罐内的CO₂经压缩机压缩、加热器加热至80-300℃并使之达到超临界状态后导入至双螺杆挤出机内，在双螺杆挤出机中，超临界状态的CO₂快速溶于浆液并形成“聚合物-溶剂-CO₂”三相混合物，三相混合物经过滤器过滤后进入封闭室内，然后由熔体泵进入模口并挤出含有聚乙烯溶剂、CO₂和超高分子量聚乙烯细流，在挤出的同时，保证封闭室内温度为10～15℃，使超高分子量聚乙烯细流预冷后形成条带状冻胶体，条带状冻胶体经过切粒机切粒后即得超高分子量聚乙烯冻胶颗粒，而封闭室内的N₂、CO₂和部分溶剂经过冷凝分离器分离、提纯、净化处理后分别收集回用。

所述封闭室内是通过往其内部通入冷的N₂或冷的CO₂来实现降低温度和压力的。

所述聚乙烯溶剂为十氢萘、白矿油、碳氢有机溶剂、煤油中的一种。

所述CO₂储罐内的CO₂纯度为99%。

将上述制得的超高分子量聚乙烯冻胶颗粒通过进料口，进入温度为100～260℃的双螺杆挤出机A，经过熔体过滤器的溶解、匀化、混炼、精滤得冻胶体，冻胶体经计量泵计量以及在10～15℃冷却水溶内由模口A挤出形成冻胶丝，然后再经过清洗、干燥、拉伸形成高强高模聚乙烯纤维。或者将冻胶体经过15～30℃冷却水辊形成冻胶膜，冻胶膜经同向双拉、清洗、干燥、横拉定型，分切、卷绕，得到二次锂电池隔膜。

本发明根据高温高压下PE分子链“蛇形”受限运动特点，利用超临界状态下CO₂流体在聚乙烯溶剂中起到助溶剂作用，并PE/CO₂体系中UHMWPE链结晶形态与微孔可控，形成高刚性伸直链结晶相，即“聚合物-溶剂-CO₂”三相混合物，三相混合物在低温、减压状态下挤出形成结构均匀、良好序态的冻胶颗粒。该冻胶颗粒再次熔融、溶解、定量挤出、形成冻胶纤维或冻胶薄膜，然后再经拉伸、萃取、干燥等工序形成高强高模聚乙烯纤维或PE隔膜，制得的高强高模聚乙烯纤维比强度为33～40cN/dtex，模量为1200～1600cN/dtex。PE隔膜平均厚度≤12μm，厚度偏差±1，孔隙为40～55%，针刺强度400～600gf。

本发明的优点是：对目前超高分子量聚乙烯凝胶技术加工中制品力学性能不稳，品质不高、均匀性差，效率低等问题，提出了新的解决方案，有效的提高了生产稳定性，制品结构匀一性和品质，减少了不合格率，降低制造成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明制备超高分子量聚乙烯冻胶颗粒流程图。

图2为本发明冻胶颗粒转化为高强高模聚乙烯纤维工艺流程。

图3为本发明冻胶颗粒转化为二次锂电池隔膜工艺流程。