PROCESO DE PRODUCCION DE FIBRA DE POLIETILENO DE PESO MOLECULAR ULTRA ALTO.

Un método para preparar fibra de UHMWPE, caracterizado por que:

se añade UHMWPE en polvo con un peso molecular promedio relativo de 1 a 6 millones con un polímero polar y se dispersa en un disolvente para formar una mezcla de emulsión uniforme, utilizando la hilatura del gel, la mezcla es alimentada gradualmente y con agitación en una extrusora en la que la mezcla se hincha y se disuelve para formar una solución transparente y homogénea, siendo la solución extruída a través de un hilera para girar en un filamento de gel en el que la hilera comprende unas aberturas con forma de rectángulo, seguido de enfriamiento, solidificación, extracción, secado y estiramiento para proporcionar la fibra UHMWPE, en el que: - durante la preparación de la mezcla de emulsión uniforme, el UHMWPE en polvo con un MW relativo de 1 millón a 6 millones, el polímero polar y el disolvente se mezclan en una proporción adecuada y son alimentados en un equipo de destorsión para destorsionar para formar la mezcla de emulsión uniforme; - la cantidad del polímero polar con respecto a la UHMWPE en polvo es de 1-10% en peso; y - el equipo de destorsión proporciona una velocidad de corte de por lo menos 1000S-1

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/CN2007/002906.

Solicitante: HU, PANPAN
YOU, XIULAN
LIU, ZHAOFENG
.

Nacionalidad solicitante: China.

Dirección: ROOM 803 NO. 38 LANE 220 ANSHUN ROAD CHANGNING DISTRICT SHANGHAI 200051 CHINA.

Inventor/es: YOU,XIULAN, LIU,ZHAOFENG, HU,PANPAN.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 9 de Octubre de 2007.

Fecha Concesión Europea: 18 de Agosto de 2010.

Clasificación PCT:

  • D01D1/02 SECCION D — TEXTILES; PAPEL.D01 FIBRAS O HILOS NATURALES O FABRICADOS POR EL HOMBRE; HILATURA.D01D PROCEDIMIENTOS O APARATOS MECANICOS PARA LA FABRICACION DE FILAMENTOS, HILOS, FIBRAS, SEDAS O CINTAS ARTIFICIALES (procesado o trabajado de cables metálicos B21F; fibras o filamentos de vidreo, minerales o escorias reblandecidas C03B 37/00). › D01D 1/00 Tratamiento de materias destinadas a formar los filamentos, o materias similares (trabajo de materias plásticas o sustancias en estado plástico, en general B29). › Preparación de soluciones de hilado.
  • D01D5/06 D01D […] › D01D 5/00 Formación de filamentos, hilos o similares. › Métodos de hilado en mojado.
  • D01F6/46 D01 […] › D01F PARTE QUIMICA DE LA FABRICACION DE FILAMENTOS, HILOS, FIBRAS, SEDAS O CINTAS FABRICADAS POR EL HOMBRE; APARATOS ESPECIALMENTE ADAPTADOS A LA FABRICACION DE FILAMENTOS DE CARBONO.D01F 6/00 Filamentos o similares, fabricados por el hombre, con un solo componente, formados de polímeros sintéticos; Su fabricación. › de poliolefinas.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia.


Fragmento de la descripción:

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un método de preparación de fibra de Polietileno de Alto Peso Molecular (HMWPE), en concreto, un método de preparación de fibra de Polietileno de Peso Molecular Ultra Alto (UHMWPE).

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Un método de preparación de una fibra de polietileno (PE) de alta resistencia y de alto módulo a partir de gel UH MWPE vía la tecnología del giro o estiramiento se describe en las patentes UK Nos GB2042414 y GB2051667, cedidas a la compañía de DSM, Países Bajos en 1.979. Después de eso, esta tecnología fue industrializada por Allied Company de los U.S., Toyobo-DSM Company, una empresa conjunta entre Japón y los Países Bajos, así como Mitsui Company de Japón. En 1.982, Allied Company obtuvo la patente no 4413110, que contempla un proceso de preparación de fibra UHMWPE. La universidad Donghua en China también obtuvo las patentes chinas Nos 89107905 y 97106768 que entran en este estado de la técnica.

Los procedimientos principales para la preparación de fibra de gel UHMWPE son los siguientes: se añade UHMWPE a un disolvente adecuado para preparar una solución mediante remoción; la solución es extruída mediante una extrusora y se hila a través de una hilera, seguido de un enfriamiento, extracción, secado y estiramiento, para formar el producto de fibra deseado. Para obtener una alta resistencia y una fibra de alto módulo, los pasos claves incluyen la preparación de una solución de UHMWPE homogénea, y la extracción con un segundo disolvente para eliminar la gran cantidad de un primer disolvente contenido en la fibra de gel antes del estiramiento de la fibra de gel.

A medida que aumenta el peso molecular del polietileno, también está aumentando su tamaño macromolecular, y existe el entrelazamiento entre tales macromoléculas. El entrelazamiento entre las macromoléculas es beneficioso para aumentar la tasa de estiramiento y puede resultar en una fibra altamente orientada con un módulo y resistencia mayores. Sin embargo, el efecto viscoelástico debido al entrelazamiento entre las macromoléculas de polímero hace el proceso de disolución mucho más complicado, y no es beneficioso para el proceso de disolución y de conformación. Por lo tanto, debería controlarse el entrelazamiento entre las macromoléculas. El estado de tal entrelazamiento se puede controlar mediante tratamiento térmico, tratamiento con disolventes y cortando.

El peso molecular del polímero y del disolvente de baja molécula es bastante diferente. El polímero tiene una cadena de molécula larga y es difícil para el polímero moverse. Debido a las fuertes interacciones intra-moleculares y el entrelazamiento entre las moléculas del polímero, el polímero no se difunde en un disolvente cuando sólo se mezclan el polímero y un disolvente de baja molécula. Si se utiliza el método convencional de disolución para preparar la solución, el polímero en polvo tiende a agregarse o formar un gel sólido debido a la permeación incompleta del disolvente, y no puede obtenerse una solución homogénea. Además, aparecerá el efecto de Weissenberg (efecto ascendente) debido al efecto viscoelástico causado por el entrelazamiento entre las macromoléculas de polietileno cuando se remueven.

Con el aumento de peso molecular, la concentración de polímero y la velocidad de remoción, el efecto de Weissenberg será más efectivo. Consecuentemente, será más difícil obtener una solución homogénea.

Determinadas patentes proponen diversos métodos para resolver el problema. Por ejemplo, EP 0255618 describe que una mezcla de hidrocarburos libre de naftalina y difenilo, con un punto de ebullición alrededor de los 180-250°C, se obtiene después de una separación de rectificación a partir de aceite de alquitrán hidrogenado. Tal mezcla de hidrocarburos se mezcla adicionalmente con UHMWPE y decahidronaftaleno a 135ºC, removiéndolo durante varias horas para formar una solución de PE. La concentración de la solución de PE no es superior al 50%.

La patente japonesa Nº 59232123 describe un proceso para mezclar UHMWPE con una pequeña cantidad de un disolvente durante varios minutos, seguido por un calentamiento, a continuación se añade gradualmente más disolvente bajo remoción para formar una solución que contiene UHMWPE.

En un ejemplo descrito en la patente japonesa Nº 63-15838, se hidrogena catalíticamente un aceite de alquitrán fraccional para proporcionar un disolvente. Se añade adicionalmente disolvente con un antioxidante y PE, y la mezcla resultante se remueve durante 3 horas a 140ºC para formar una solución de UHMWPE al 10%(p/p).

En algunos casos, el problema se resuelve utilizando un proceso de dos pasos que incluyen un hinchamiento y una disolución. La patente china Nº 970106768 describe que puede utilizarse un disolvente de hidrocarburo alcano para hinchar el PE bajo determinadas condiciones, y para preparar una solución en suspensión que contenga UHMWPE.

La patente china Nº 97101010 describe un recipiente para el prehinchamiento equipado con un nuevo deflector mezclador que se utiliza para hinchar el UHMWPE formando una solución en suspensión para evitar el efecto de Weissenberg del UHMWPE durante la disolución y la remoción.

La patente china Nº 20041009607615, titulada “A Method For Continuous Mixing and Preparation of UHMWPE Solution" (Método para la remoción y preparación continua de una solución de UHMWPE), describe el uso de un mezclador estático con un tornillo que tiene una relación longitud/diámetro pequeña para permitir la preparación continua de una solución de UHMWPE. En la patente china Nº 85107352A, la empresa DSM proporciona un método para preparar una solución homogénea de polímero, que comprende: alimentar un polímero en polvo fino y un disolvente en una extrusora, donde se forma una suspensión y una solución dentro de la extrusora, con una temperatura de operación por encima del punto de fusión del polímero y a una velocidad de corte mecánico de aproximadamente 30-2000S-1. Sin embargo, este método puede dañar la cadena de la molécula de UHMWPE y resultar en una disminución de su peso molecular.

Aunque las patentes mencionadas anteriormente hicieron algunas mejoras en el proceso relacionado con el disolvente y la acción de la disolución, existen todavía los siguientes problemas: el equipo de procesamiento es complicado; el proceso no es estable. Además, existe un riesgo de seguridad asociado con el proceso, y disminuye la tenacidad de la fibra así obtenida.

La fibra con alta resistencia y alto módulo puede obtenerse sólo después de extraer una gran cantidad del primer disolvente contenido en la fibra de gel con un segundo disolvente y llevar a cabo el estiramiento de la fibra de gel. La velocidad de extracción depende del segundo disolvente usado, el proceso de extracción, así como la ruta de difusión del disolvente. Durante el curso de la extracción, el disolvente en la superficie exterior de la fibra se difundirá en primer lugar de la fibra de gel. Cuanto mayor sea la distancia de difusión, mayor será la diferencia de las velocidades de difusión. De acuerdo con el método actual, la sección transversal de una fibra de gel de PE es redonda y tiene una pared más gruesa. Cuanto mayor sea la diferencia, más fácil será formar una estructura piel-núcleo, que no es una estructura homogénea y que tiene una influencia negativa en el proceso de estiramiento como también afecta las propiedades mecánicas del producto de fibra.

En la actualidad, existen algunas patentes relacionadas con la preparación de la membrana de fibra de HDPE perfilada, que incluyen las patentes US Nos 4115492, 5294338, 6436319 y ZL200510049263, todas las cuales utilizan hilaturas por fusión; y las patentes US Nos 5695702 y ZL95193838, que utilizan un módulo de membrana de fibra hueca termoplástica y un método de fabricación. Los métodos descritos anteriormente en las mismas sufren el problema del alto costo, mientras que la homogeneidad de la estructura de la fibra obtenida no es satisfactoria.

Además, ya se ha industrializado la preparación de fibra de PE de alto módulo y alta resistencia por estiramiento o giro de la fibra de gel de UHMWPE. Las patentes buscadas para fibra de gel de PE incluyen EP 0205960A, EP 0213208A1, patente US Nº 4413110, WO 01/73173A1, y EP1746187A1, que realizaron algunas modificaciones sobre la tecnología de hilatura. Para el proceso de hilatura del gel de UHMWPE, es fundamental obtener una solución de...

 


Reivindicaciones:

1. Un método para preparar fibra de UHMWPE, caracterizado por que: se añade UHMWPE en polvo con un peso molecular promedio relativo de 1 a 6 millones con un polímero polar y se dispersa en un disolvente para formar una mezcla de emulsión uniforme, utilizando la hilatura del gel, la mezcla es alimentada gradualmente y con agitación en una extrusora en la que la mezcla se hincha y se disuelve para formar una solución transparente y homogénea, siendo la solución extruída a través de un hilera para girar en un filamento de gel en el que la hilera comprende unas aberturas con forma de rectángulo, seguido de enfriamiento, solidificación, extracción, secado y estiramiento para proporcionar la fibra UHMWPE, en el que:

- durante la preparación de la mezcla de emulsión uniforme, el UHMWPE en polvo con un MW relativo de 1 millón a 6 millones, el polímero polar y el disolvente se mezclan en una proporción adecuada y son alimentados en un equipo de destorsión para destorsionar para formar la mezcla de emulsión uniforme;

- la cantidad del polímero polar con respecto a la UHMWPE en polvo es de 1-10% en peso; y -el equipo de destorsión proporciona una velocidad de corte de por lo menos 1000S-1.

2. El método para preparar fibra UHMWPE de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la concentración de la mezcla de emulsión uniforme es de 4%-60%.

3. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que el polímero polar:

− es un polímero polar que comprende un grupo éster, un grupo carbonilo o un grupo éter;

− comprender un grupo éster, un grupo carbonilo o un grupo éter se selecciona de entre copolímero de etileno/acetato de vinilo, poliacrilatos, copolímero de polietilen pirrolidona/acetato de vinilo, polímero de polioxietileno y mezclas de los mismos.

4. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que la cantidad del polímero polar con respecto al UHMWPE en polvo es del 2-8% en peso.

5. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que durante el proceso de destorsión, se añade aceite de silicona o su derivado para la destorsión; y/o durante el proceso de solidificación, se añade aceite de silicona o su derivado; en el que el aceite de silicona o su derivado comprende de 0,05-5% en peso de la fibra de UHMWPE, preferentemente uno o más seleccionados de entre un antioxidante, un estabilizador, un agente colorante y un retardante del fuego se añade durante el proceso de destorsión.

6. El método para preparar fibra UHMWPE según la reivindicación 1, en el que el equipo de destorsión proporciona una velocidad de corte de 1000 a 5000S-1; preferentemente el equipo de destorsión proporciona una velocidad de corte de 2000 a 4000S-1.

7. El método para preparar fibra UHMWPE según la reivindicación 1, en el que el equipo de destorsión se selecciona de entre una máquina de dispersión de alta velocidad, un mezclador, un molino coloidal, un homogenizador, un venturi, y combinaciones de los mismos.

8. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, caracterizado por que: el UHMWPE tiene un peso molecular promedio relativo de 4 a 6 millones, preferentemente un peso molecular promedio relativo de aproximadamente 2 a 5 millones.

9. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que el disolvente utilizado para formar una mezcla de emulsión uniforme se encuentra en forma líquida a temperatura ambiente, y se selecciona de entre hidrocarburo alcano o su derivado, hidrocarburo cicloalcano o su derivado, hidrocarburo aromático o su derivado, y mezclas de los mismos.

10. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que durante la preparación de la mezcla de emulsión uniforme, la concentración nominal del polvo UHMWPE en el disolvente es de aproximadamente 1-50 % en peso.

11. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que la extrusora se selecciona de entre una extrusora de un solo tornillo, una extrusora de doble tornillo, una extrusora de triple tornillo, y una extrusora de cuatro tornillos, y la temperatura de operación de la extrusora es de 80-250°C; preferentemente la extrusora de doble tornillo puede rotar en la misma dirección o en dirección inversa, y la relación longitud/diámetro de la varilla roscada es 1:30-65; más preferentemente el tiempo de residencia para la mezcla de emulsión uniforme en la extrusora de doble tornillo es de 10-60 minutos, preferentemente de 20-40 minutos; la temperatura del material es de 50-280ºC, y la temperatura del filamento de gel extruído es de 140-280ºC, preferentemente de 200-260ºC; más preferentemente el tiempo de residencia para la mezcla de emulsión uniforme en la extrusora de doble tornillo es de 20-40 minutos, y la temperatura del filamento de gel extruído es de 200-260ºC.

12. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que la hilera de la extrusora comprende unas aberturas con forma de rectángulo con una relación longitud/anchura de 4:20, preferentemente la relación longitud/anchura es de 5:15.

13. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que la mezcla de emulsión puede ser alimentada en la extrusora directamente o a través de un recipiente de almacenamiento equipado con un agitador.

14. El método para preparar fibra de UHMWPE según la reivindicación 1, en el que el estiramiento se lleva a cabo a una temperatura de 80-130ºC y con una tasa de estiramiento de por lo menos 20/1, preferentemente la tasa de estiramiento es de 30/1 a 60/1 para el estiramiento.


 

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