一种超高分子量聚乙烯纤维表面改性的方法技术

本发明专利技术涉及一种超高分子量聚乙烯纤维表面改性的方法，包括：（１）将带有极性基团分子溶解在超高分子量聚乙烯冻胶纤维的常规萃取剂中，制成复合萃取剂，带极性基团分子在萃取剂中的重量分数为１～５％；（２）将超高分子量聚乙烯冻胶纤维在复合萃取剂中进行超声萃取，萃取时间为０．１～６分钟，超声波频率为３５～６０ＫＨｚ，然后分别在１００℃下进行２０倍的一级拉伸，在１１０℃下进行２倍二级拉伸，在１２０℃下进行１．２倍三级拉伸制成表面改性的超高分子量聚乙烯纤维。该发明专利技术使超高分子量聚乙烯纤维表层富含极性基团，提高了纤维表面粘结性能和力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属聚乙烯纤维表面改性领域，特别是涉及一种超高分子量聚乙烯纤维表面改性 的方法。技术背景超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是继碳纤维和芳纶纤维之后出现的第三种高性能纤 维，其具有其它高性能纤维所无法比拟的优异的力学性能。它的比强度和比模量是所有化 学纤维中最高的，此外，它的密度小，以及优异的耐化学性、耐候性、高能量吸收性、耐 冲击、耐低温、电绝缘以及可透过X—射线等多种优异性能，从而被广泛地应用在军事装 备、航空航天、海洋作业、体育器材等等领域，如防护材料、高强绳索、复合材料和运动 器械。在UHMWPE纤维的应用中，几乎都是需要与树脂基体进行复合使用的。在纤维增强树脂复合材料中，纤维与树脂基体之间的界面粘结强度很大程度上决定了 复合材料最终的机械性能。然而，聚乙烯分子链上无极性基团，无化学活性，使UHMWPE 纤维表面呈惰性，纤维与树脂之间难以产生化学键结合，导致纤维与树脂之间的相互作用 力较弱；另外，UHMWPE纤维的取向度高，表面平滑，比表面积小，这也不利于纤维与树脂 的粘结，从而大大限制了UHMWPE纤维在复合材料特别是轻质结构材料领域中的应用。因 此，需对UHMWPE纤维进行表面改性处理，以提高其与树脂基体的粘结性能。目前对UHMWPE纤维的表面改性的方法已有很多。如CN1035308A公开的等离子体法、 USP5039549和USP5755913公开的辐射接枝法、吴越等人在"液态氧化法处理超高分子量 聚乙烯纤维"(功能高分子学报，1999， 12 (4): 427)中用铬酸的表面刻蚀法和USP4870136 公开的引发接枝法等。这些方法均存在较多不足之处，如等离子体表面处理法的设备连续 化程度和稳定性较差表；辐射接枝处理虽不损害纤维的力学性能，但设备投资很高，且处 理的最佳工艺件不好掌握，工业化的前景渺茫；表面刻蚀法提高粘附性是以纤维强度的损 失为代价的；另外，在纺丝原液中共混入一定量极性分子的方法也可改善纤维的表面粘结 性能，但此法所得纤维的强度有较大降低。本实验室曾于专利CN1693544A公开了用含极 性基团聚合物的复合萃取剂对UHMWPE冻胶纤维进行萃取以改性，这种方法可较大提高纤 维的表面粘结性能，同时对纤维的力学性能影响较小，并且这种方法操作简便，易于工业 化。但是聚合物中极性基团含量有限，因此限制了纤维表面极性基团的引入量，从而影响 了纤维表面粘结性能的提高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种使超高分子量聚乙烯纤维表面富含极性基团 的方法，该专利技术使超高分子量聚乙烯纤维表层富含极性基团，提高了纤维表面粘结性能和 力学性能。本专利技术的，包括(1) 将带极性基团的分子溶解在超高分子量聚乙烯冻胶纤维的常规萃取剂中，制成 复合萃取剂，带极性基团分子在复合萃取剂中的重量分数为1 5%;(2) 将超高分子量聚乙烯冻胶纤维在l个大气压，0-2(TC温度下，复合萃取剂中进 行超声萃取，萃取时间为O. 1 6分钟，超声波频率为35 60KHZ，然后分别在IOO'C下进 行20倍的一级拉伸，在ll(TC下进行2倍二级拉伸，在120'C下进行1. 2倍三级拉伸制成 表面改性的超高分子量聚乙烯纤维。所述的带极性基团的分子，其所含的极性基团为羟基、羧基、氨基、巯基、环氧基、 垸氧基、磺酸基、磷基、伯胺基或酰胺基；所述的带极性基团的分子为硅烷类或钛酸酯类偶联剂，其中硅烷类偶联剂为含有烷 基、苯基或乙烯基和环氧基、氨基或巯基等极性官能团的硅烷；钛酸酯类偶联剂为含有羧 基、烷氧基、磺酸基、磷基、羟基、氨基、环氧基等极性基团的钛酸酯；所述的硅垸类偶联剂为长链垸基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅垸、乙烯基三(e-甲氧基乙氧基)硅烷、y-氨丙基三乙氧基硅烷、y- (2， 3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅垸、y-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷等；钛酸酯类偶联剂 为三异硬脂酰基钛酸异丙酯、二异硬酯酰基钛酸乙酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛 酸酯等；所述的常规萃取剂选自汽油、正己烷、庚烷、二乙醚、二甲苯、三氯三氟乙烷(F113)、 氯甲烷、二氯甲垸、二氯乙烷、氯仿、四氯化碳、二甘醇单丁基醚或二甘醇单丙基醚中的 一种或几种的混合物；所述步骤(2)中采用复合萃取剂萃取时，先将超高分子量聚乙烯冻胶纤维在常规萃取 剂中萃取5分钟除去至少90%或95%的溶剂之后，即超高分子量聚乙烯冻胶纤维中的溶 剂质量分数小于10%，最好小于5%，再用此复合萃取剂萃取2—6分钟。 有益效果(1) 本专利技术利用冻胶纺丝工艺固有的萃取工序，在不增加其他设备的情况下，使超 高分子量聚乙烯纤维表层富含极性基团，提高了纤维表面粘结性能；(2) 由于带极性基团的分子能进入到纤维内部，在纤维拉伸过程中的再结晶中起到非均成核的作用，提高了纤维的结晶度，晶粒尺寸减小，使得纤维的力学性能同时得到提 高；(3)由于带极性基团的分子在超高分子量聚乙烯冻胶纤维的常规萃取剂中溶解速度 较快，使得复合萃取剂制备方便，工艺简单。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而 不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。比较实施例将重均相对分子量为500万的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)冻胶纤维在1个大气压， 温度为2(TC下，在萃取剂二甲苯中进行两次超声萃取，其萃取时间均为5分钟，然后进行 干燥。将干冻胶纤维在10(TC下进行20倍的一级拉伸，在11(TC下进行2倍二级拉伸，在 12(TC下进行1.2倍三级拉伸制成超高分子量聚乙烯纤维1。实施例1将Y-氨丙基三乙氧基硅垸溶解在二甲苯中，制成复合萃取剂，Y-氨丙基三乙氧基硅 烷在复合萃取剂中的质量分数为1.5%，重均相对分子量为500万的超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)冻胶纤维在l个大气压，温度为2(TC下，先在二甲苯中超声萃取5分钟以 除去约95%的溶剂，然后置于复合萃取剂中超声萃取2分钟，然后进行干燥。将干冻胶纤 维在IO(TC下进行20倍的一级拉伸，在ll(TC下进行2倍二级拉伸，在120。C下进行1.2 倍三级拉伸制成表面粘结和力学性能均得到提高的超高分子量聚乙烯纤维2。实施例2将Y-氨丙基三乙氧基硅垸溶解在二甲苯中，制成复合萃取剂，Y-氨丙基三乙氧基硅 垸在复合萃取剂中的质量分数为1%，重均相对分子量为500万的超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)冻胶纤维在l个大气压，温度为2(TC下，先在二甲苯中超声萃取5分钟以 除去约95%的溶剂，然后置于复合萃取剂中超声萃取4分钟，然后进行干燥。将干冻胶纤 维在IO(TC下进行20倍的一级拉伸，在ll(TC下进行2倍二级拉伸，在120。C下进行1.2 倍三级拉伸制成表面粘结和力学性能均得到提高的超高分子量聚乙烯纤维3。实施例3将Y-(2，3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅垸溶解在二甲苯中，制成复合萃取剂， Y-(2, 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷在复合萃取剂中的质量分数为1%，重均相对分子 量为500万的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)冻胶纤维在l个大气压，温度为2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表面改性的方法，包括：　（１）将带极性基团的分子溶解在超高分子量聚乙烯冻胶纤维的常规萃取剂中，制成复合萃取剂，带极性基团分子在复合萃取剂中的重量分数为１～５％；　（２）将超高分子量聚乙烯冻胶纤维在１个大气 压，０－２０℃温度下，复合萃取剂中进行超声萃取，萃取时间为０．１～６分钟，超声波频率为３５～６０ＫＨＺ，然后分别在１００℃下进行２０倍的一级拉伸，在１１０℃下进行２倍二级拉伸，在１２０℃下进行１．２倍三级拉伸制成表面改性的超高分子量聚乙烯纤维。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于俊荣，胡祖明，陈蕾，诸静，张一，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]