[发明专利]一种改性超高分子量聚乙烯纤维及其方法

说明书

本发明属于纤维材料技术领域，涉及一种改性超高分子量聚乙烯纤维及其方法。原料为超高分子质量聚乙烯、环氧树脂、石墨烯、固化剂、抗氧化剂和助抗氧化剂构成，各组分按重量份计，其中：超高分子质量聚乙烯粉末质量为100份，环氧树脂为3～15份，固化剂为1～10份，石墨烯为0.02～0.5份，抗氧化剂为0.3～2份。本发明制得的改性超高分量聚乙烯纤维，粘接性能得到了大大提高，强度、模量得到了提高，且工艺简单、处理效果好、成本低、不易引起环境污染，并且还可以降低能耗。

技术领域

本发明属于纤维材料技术领域,具体涉及到一种改性超高分子量聚乙烯纤维及其方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的一种高性能纤维。它是以超高分子量聚乙烯为原料，经过高压固态挤压法、增塑熔融纺丝法、表面结晶生长法、超拉伸或局部超拉伸法、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。它的相对分子质量为100万～600万，分子形状为线型伸直链结构，取向度接近100％，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，还具有耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高、摩擦系数低及突出的抗冲击、抗切割等优异性能。因此，UHMWPE纤维是制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔、运钞车防弹装甲、直升机防弹装甲、轻质高压容器、航天航空结构件、渔网、赛艇、帆船、滑雪撬等的理想材料。但是，由于UHMWPE纤维本身是由非极性的亚甲基形成的线性长链，纤维分子间没有较强的分子间作用力；纤维表面呈化学惰性，难以与树脂形成化学键合；在生产中经高倍拉伸形成的高度结晶和高度取向而导致的光滑表面。所有这些因素的共同作用使纤维的表面能很小，用作复合材料的增强材料时难以与基体树脂形成良好的界面粘接。

提高UHMWPE纤维与树脂基体间的界面粘接强度，可以通过表面涂覆法、化学试剂浸蚀、等离子体处理改性、电晕放电处理、光氧化表面改性处理、辐射接枝处理等方法对纤维进行改性，使纤维惰性表面层活化，在非极性的纤维表面引入羧基、羰基、羟基等极性基团，中国专利CN1431358A同时提高高强聚乙烯纤维耐热、抗蠕变和粘接性的方法利用光敏剂和交联剂组成的有机溶液浸渍聚乙烯纤维，然后再将纤维进行紫外光辐照交联；专利Int.ClD0lMI5/00(2006.01)提出用本征导电聚合物单体吡咯或噻吩在真空中处理浸泡过有机磺酸铁盐的超高分子量聚乙烯纤维获得纤维表面改性。中国专利文献CNl035308A公开了一种提高UHMWPE纤维表面粘接性的方法。它采用UHMWPE纤维表面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。但该法设备条件要求高，工业化难度较大，且处理不当会使纤维力学性能显著下降。SilVerstein M.S.等用铬酸试剂处理UHMWPE纤维的表面改性方法，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。中国专利文献CNl693544A公开了一种提高UHMWPE纤维表面粘接性的方法。此方法是将极性聚合物溶解在UHMWPE冻胶纤维的常规萃取剂中，制成复合萃取剂，再将UHMWPE冻胶纤维在复合萃取剂中萃取，然后经拉伸等后工序处理制成粘接性能有较大提高的UHMWPE纤维。该方法虽能较好的保持UHMWPE纤维的原有强度，但纤维粘接强度提高程度有限，没有达到理想和实用的目标。美国专利文献LJSP5039549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纤维的表面粘接性能，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。

发明内容

针对上述不足，本发明采用环氧树脂、石墨烯对超高分子量聚乙烯纤维进行改性，通过超声波发生器对纺丝原液进行混合，最终制得的改性超高分量聚乙烯纤维粘接性能得到了大大提高，强度、模量得到了提高，且该工艺简单、、处理效果好、成本低、不易引起环境污染，并且还可以降低能耗。