一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝及其制备方法技术

本发明专利技术属于复合材料技术领域，公开了一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝及其制备方法。所述制备方法为：将超高分子量聚乙烯粉料和添加剂加入到溶剂中，配制悬浮混合液，然后在100～150℃加热溶胀后注入双螺杆挤出机中挤出，经冷却后形成初生冻胶纤维；将初生冻胶纤维以压辊压制成表面带有凹坑结构的带状丝，得到初生扁丝纤维；将所得初生扁丝纤维预拉伸卷绕，然后经萃取、干燥及热超倍拉伸，得到所述超高分子量聚乙烯纤维扁丝。本发明专利技术通过机械方法即压辊在超高分子量聚乙烯纤维扁丝表面压制凹坑结构，提高了超高分子量聚乙烯纤维表面的粘结性能，制备工艺简单环保，生产过程易于控制，生产设备要求不高，易于工业化推广使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝及其制备方法。
技术介绍
超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE纤维)是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的一种高性能纤维，是20世纪70年代末研制成功并于80年代初进入产业化的一种高性能纤维。它是以超高分子量聚乙烯通过凝胶纺丝-热拉伸法等工艺制备的一种具有高强度、高模量的高性能纤维。超高分子量聚乙烯纤维的相对分子质量为100万～600万，分子形状为线型伸直链结构，取向度接近100％，比强度相当于优质钢材的15倍左右，比碳纤维高2倍，比芳纶高40％，密度为0.97g/cm3，质量轻，化学稳定性好，具有很强的化学惰性，强酸、强碱溶液及有机溶剂对其强度没有任何影响；具有很好的耐候性，经1500日晒后，纤维强度保持率仍然高达80％，耐紫外性能非常优越；耐低温性好，使用温度可以低至-150℃；另外，超高分子量聚乙烯纤维的耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能、抗切割性能也是现有高性能纤维中最强的。因此其被广泛应用于军事、航天航海工程、高性能轻质复合材料和高档休闲体育用品等领域,如防护材料(包括装甲板、防切割手套、防弹衣和头盔等)、高强绳索(包括缆绳、登山绳、救捞绳、帆船索和降落伞绳等)、复合材料(包括声纳罩、雷达天线罩、飞机翼尖结构和大型储藏罐等)、运动器械(包括滑雪板、钓竿、雪橇和滑翔板等)。UHMWPE纤维的很多应用是其与环氧树脂(EPR)、酚醛树脂(PFR)、聚氨酯(PU)、丁腈橡胶(NBR)、乙烯基树脂(VER)等一种或者多种基体复合材料的应用。超高分子量聚乙烯纤维也存在一些待改进的缺点，如分子间没有较强的相互作用力(如氢键)，抗蠕变性差，分子链呈线性结构，没有苯环等极性官能团，导致其熔点较低，使用温度的敏感性较大等；对于UHMWPE纤维增强复合材料，复合材料的机械性能很大程度上是由纤维与树脂之间的界面粘结强度决定的。而UHMWPE纤维由简单的亚甲基组成，使得纤维表面不仅没有任何反应活性点，难以与树脂形成化学键结合，而且亚甲基的非极性，加上高倍拉伸成形的高度结晶、高度取向的光滑表面，使其表面能极低，不易被树脂浸润，又无粗糙的表面以供形成机械啮合点，纤维分子与树脂分子间不易产生较强的相互作用力，导致纤维与树脂基体的粘接性较差，从而使纤维增强复合材料在使用过程中易发生脱胶、树脂基体开裂等现象，很大程度上限制了超高分子量聚乙烯纤维在复合材料特别是轻质结构材料领域的应用，因此对超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性处理，提高其与树脂基体的界面粘接强度，就显得十分必要。目前，提高纤维与树脂基体间的界面粘接强度的方法，可以通过化学试剂氧化刻蚀、等离子体处理、电晕放电处理、光氧化表面改性处理或辐射接枝处理等方法进行表面改性，使UHMWPE纤维惰性表面层活化，在非极性的纤维表面引入羧基、羰基或羟基等极性基团来实现；然而如何高效迅速、低成本的处理UHMWPE纤维，并实现环境友好，是复合材料科学一直关注的焦点。Silverstein M.S.等在“酸刻蚀的超高分子量聚乙烯纤维表面性能与粘结性之间的关系”(”Relationship between surface properties and adhesion for etched ultra high molecular weight polyethylene fibers”,Composites Science and Technology,1993,48(1-4),151-157)的文章中接受了用铬酸试剂处理UHMWPE纤维的表面改性方法，发现经铬酸处理后，UHMWPE纤维的表面粘接性能提高了6倍。但该方法使纤维表面受到了腐蚀，对纤维强度影响较大。美国专利文献USP4870136公开了一种提高纤维表面粘接性能的方法，该方法是先将一定比例的UHMWPE粉末、自由基引发剂、硅烷类化合物和稀释剂在螺杆机中熔融混合，进行增塑熔融纺丝，在纺丝阶段通过热引发完成UHMWPE的硅烷化接枝反应，然后将纺制的纤维在萃取剂和交联剂的介质中进行热拉伸，再在沸水中完成交联反应。该方法所制得的纤维与基体间的粘接性能有较大提高，但由于其在UHMWPE纤维纺丝原液中加入了大量的引发剂和接枝化合物并在接枝反应完成后再进行拉伸，从而导致纤维拉伸倍数较低，所得的UHMWPE纤维的力学性能较差。中国专利文献CN1035308A公开了一种提高超高分子量聚乙烯纤维表面粘接性的方法。它采用对超高分子量聚乙烯纤维进行等离子体处理的方法。此方法可有效提高纤维对树脂基体的浸润性和表面粘接强度。但该方法设备条件要求高，工业化存在难度，且处理条件不当会导致纤维的力学性能下降。美国专利文献USP5039549和USP5755913公开的方法是在等离子体、臭氧、电晕放电或紫外辐照下，将UHMWPE纤维表面接枝上一些含极性基团单体(如丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯腈等)的表面改性方法，可大大提高UHMWPE纤维的表面粘结性能，但该方法工序繁琐，且接枝处理的最佳工艺条件难以掌握，工业化前景渺茫。中国专利CN102400375A公开了共辐照接枝技术生产改性超高分子量聚乙烯纤维的方法，该方法是将共辐照接枝的工序与超高分子量聚乙烯纤维的生产工序相连，形成超高分子量聚乙烯纤维制备和改性的连续化生产工艺。该方法对UHMWPE纤维表面改性效果显著，同时保持超高分子量聚乙烯纤维自身的强度基本不变，纤维与树脂基体的粘接性能提高显著，但此法由于间歇作业，从而很大程度上限制了它的应用。
技术实现思路
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝的制备方法。该方法可有效地提高超高分子量聚乙烯纤维的表面粘接性能，同时保持UHMWPE纤维原有的强度，并且操作方便，可工业化连续生产，没有污染，对设备无特殊要求，成本较低，便于工业化应用。本专利技术的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的超高分子量聚乙烯纤维扁丝。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝的制备方法，包括如下制备步骤：(1)将分子量为1.5×107～6.0×107g/mol的超高分子量聚乙烯粉料和添加剂加入到溶剂中，配制超高分子量聚乙烯质量浓度为5％～20％的悬浮混合液；(2)初生冻胶纤维成型：将步骤(1)所得悬浮混合液在100～150℃加热溶胀，将溶胀后分散均匀的悬浮混合液注入双螺杆挤出机中挤出，挤出口模处冻胶状丝条经空气及水浴两段冷却后形成初生冻胶纤维；(3)初生扁丝纤维制备：以压辊将步骤(2)所得初生冻胶纤维压制成表面带有凹坑结构的带状丝，在表面形成一定的粗糙度，得到初生扁丝纤维；(4)扁丝制备：将步骤(3)所得初生扁丝纤维预拉伸卷绕，然后经萃取、干燥及热超倍拉伸，得到所述超高分子量聚乙烯纤维扁丝。优选地，步骤(1)中所述的溶剂是指十氢萘、矿物油、白油、石蜡油、煤油中的任意一种或两种以上的混合溶剂。优选地，步骤(1)中所述的添加剂包括稳定剂和低分子化合物；所述稳定剂可以防止及减缓超高分子量聚乙烯在高温加工中降解，如受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、硫代类抗氧剂的一种或两种以上，添加量为超高分子量聚乙烯质量的0.1％～10％；所述低分子化合物可加快初生纤维内部分子链运动，并可通过水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：(1)将分子量为1.5×107～6.0×107g/mol的超高分子量聚乙烯粉料和添加剂加入到溶剂中，配制超高分子量聚乙烯质量浓度为5％～20％的悬浮混合液；(2)初生冻胶纤维成型：将步骤(1)所得悬浮混合液在100～150℃加热溶胀，将溶胀后分散均匀的悬浮混合液注入双螺杆挤出机中挤出，挤出口模处冻胶状丝条经空气及水浴两段冷却后形成初生冻胶纤维；(3)初生扁丝纤维制备：以压辊将步骤(2)所得初生冻胶纤维压制成表面带有凹坑结构的带状丝，在表面形成一定的粗糙度，得到初生扁丝纤维；(4)扁丝制备：将步骤(3)所得初生扁丝纤维预拉伸卷绕，然后经萃取、干燥及热超倍拉伸，得到所述超高分子量聚乙烯纤维扁丝。

【技术特征摘要】
1.一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：(1)将分子量为1.5×107～6.0×107g/mol的超高分子量聚乙烯粉料和添加剂加入到溶剂中，配制超高分子量聚乙烯质量浓度为5％～20％的悬浮混合液；(2)初生冻胶纤维成型：将步骤(1)所得悬浮混合液在100～150℃加热溶胀，将溶胀后分散均匀的悬浮混合液注入双螺杆挤出机中挤出，挤出口模处冻胶状丝条经空气及水浴两段冷却后形成初生冻胶纤维；(3)初生扁丝纤维制备：以压辊将步骤(2)所得初生冻胶纤维压制成表面带有凹坑结构的带状丝，在表面形成一定的粗糙度，得到初生扁丝纤维；(4)扁丝制备：将步骤(3)所得初生扁丝纤维预拉伸卷绕，然后经萃取、干燥及热超倍拉伸，得到所述超高分子量聚乙烯纤维扁丝。2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的溶剂是指十氢萘、矿物油、白油、石蜡油、煤油中的任意一种或两种以上的混合溶剂。3.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的添加剂包括稳定剂和低分子化合物；所述稳定剂包括受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、硫代类抗氧剂的一种或两种以上，稳定剂的添加量为超高分子量聚乙烯质量的0.1％～10％；所述低分子化合物包括有机低分子化合物、无机低分子化合物、离子液体中的一种或两种以上互配的混合物；有机低分子化合物包括双亲性增塑剂、水溶性润滑剂、水溶性硅油、水溶性有机金属、脂肪族羧酸中的任意一种，无机低分子化合物包括有机修饰TiO2、ZnO、SiO2、氯化钠中的任意一种，离子液体包括季铵盐类离子液体、季鏻盐类离子液体、咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、氯铝酸类离子液体中的任意一种；低分子化合物的添加量为超高分子量聚乙烯质量的1％～20％。4.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维扁丝的制备方法，其特征在于：步骤(3)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：严玉蓉，杨苏邯，江的渊，邱志明，陆信航，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44