[发明专利]一种表面改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法

说明书

本发明公开一种表面改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。所述改性UHMWPE纤维的组成从外到内依次为：PDA涂层、UHMWPE纤维内层。其中，活化PDA涂层由4～8层活化PDA粒子组成，具有稳定疏松多孔结构。活化PDA涂层与UHMWPE纤维存在强烈的非共价键作用；活化PDA涂层中，同层或非同层PDA粒子间通过与硅烷偶联剂发生化学反应生成的共价键连接在一起，形成稳定的活化PDA涂层结构。本发明利用投入的硅烷偶联剂与多巴胺的摩尔比，控制PDA的粒径，制备出疏松多孔PDA涂层；利用搅拌速率获得厚度适中的PDA层，利用合理投料方法获得稳定的活化PDA层结构。

技术领域

本发明属于化学纤维领域，尤其涉及了一种表面改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。

背景技术

作为第三代高性能纤维的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维具有轻质、高强度、高模量、抗冲击等优点，是聚合物基复合材料的理想增强材料。

然而，UHMWPE纤维的表面活性差、表面能低，导致其浸润性差、增强的复合材料界面粘结性差，从而限制了其在复合材料领域广泛应用。因此，研究UHMWPE纤维的表面改性方法，制备表面性能优异的UHMWPE纤维具有十分重要意义。目前改善UHMWPE 纤维表面的方法主要有两种：物理法与化学法，其中物理法包括等离子体处理、电晕处理与化学氧化刻蚀等，化学法包括化学接枝。这些改性方法主要通过增加UHMWPE纤维的比表面积、表面活性基团数以及表面浸润性达到提高粘结性的目的。申请号为 CN108796741A的中国发明专利公开了一种利用等离子体改善UHMWPE纤维表面性能的方法，发现等离子处理的UHMWPE纤维与EVA间的粘结性能得到有效提高。申请号为 CN102400284A的中国发明专利提供了一种辐照改善UHMWPE纤维表面性能方法。首先辐照处理UHMWPE无纬布，然后表面接枝带有活性基团的聚合物，纤维表面性能明显改善。申请号为CN107573549A的中国发明专利提供了一种聚多巴胺(PDA)改性UHMWPE 纤维表面性能的方法。首先用PDA涂覆纤维，然后在PDA层接枝乙二醇二环氧甘油醚与γ-缩水甘油醚，引入环氧基团，改善其粘结性能。然而，在现有技术中，等离子体、辐照改性纤维表面的方法对设备要求高，而且不易实现连续化生产；化学氧化法需要大量的强酸与强碱，易造成环境污染；而PDA涂覆法存在PDA间(以非共价键相互作用)作用力不强，PDA易脱落，PDA涂层致密，比表面积小，活性基团少，表面浸润性不理想的缺点。因此有必要开发一种新的表面改性UHMWPE纤维及其制备方法，使其具有生产成本低、环保，纤维改性层疏松多孔、结构稳定、表面活性基团含量高、浸润性好，拉伸强度无明显下降的特点，以便扩展UHMWPE纤维在复合材料领域的应用。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种表面改性UHMWPE纤维，其具有层疏松多孔、孔径可调控、富含活性基团、结构稳定、浸润性优异的特性。

所述改性UHMWPE纤维的组成从外到内依次为：活化聚多巴胺(PDA)表面涂层、UHMWPE纤维内层。其中，活化PDA涂层由4～8层活化PDA粒子组成(每层厚度约为 50-250nm)(化学反应后，活性基团被接枝到PDA粒子上，命名这种粒子为活化PDA粒子)，具有稳定疏松多孔结构。活化PDA涂层与UHMWPE纤维通过强烈的非共价键作用粘结；活化PDA涂层中，同层或非同层PDA粒子间通过与硅烷偶联剂发生化学反应生成的共价键连接在一起，形成稳定的活化PDA涂层结构；

所述的改性UHMWPE纤维中，表面元素C的含量为50～70wt％，O的含量为20～31wt％，N的含量为2～7wt％，Si的含量为7～15wt％，经FTIR检测发现，活性基团与-CH₂-的红外吸收峰的面积比为1∶73～1∶50，活化PDA层的质量占UHMWPE纤维总质量的1.3～4.8wt％；

所述的活化PDA层的厚度为800～1000nm，表面孔径大小为100～700nm，BET 表面积为8～30m²/g，表面能为35～60mN/m(表征改性纤维的浸润性能，未改性纤维的表面能为27mN/m)；