CN102433600A - 一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维及其制备方法 - Google Patents
一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维及其制备方法。它是将超高分子质量超高分子量聚乙烯、碳黑纳米颗粒和抗氧化剂与投入溶剂中，经乳化机高速剪切搅拌，混合均匀，得到混合料；再将混合料升温至100～120℃，升温速度控制在2～5℃/min，保温1～4小时，得到纺丝溶液，然后采用常规的超高分子量聚乙烯纤维生产方法，制得超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维。本发明所制备的超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维，有效地改善超高分子量聚乙烯纤维的耐热性和抗蠕变性，降低了纤维的生产成本，扩大了纤维的适用范围；同时，本发明所提供的制备方法，其工艺路线简洁、易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯具有密度小，耐紫外线，耐腐蚀等稳定的化学性能及突出的抗冲击、抗切割韧性等优异性能，是目前国际上公认的三大高性能纤维材料之一，是制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔、雷达罩、运钞车防弹装甲、直升机防弹装甲、舰艇及远洋船舶缆绳、轻质高压容器、航天航空结构件、深海抗风浪网箱、渔网、赛艇、帆船、雪橇等的理想材料。然而，由于超高分子量聚乙烯的分子量较大，高达100万以上；分子链很长，极易发生缠结，流动性较差，难以加工。并且由于超高分子量聚乙烯的大分子结构是线型结构，由亚甲基团组成，分子链上无任何极性基团，所以其耐热性比较差（使用温度一般低于100℃）,蠕变严重，从而限制了超高分子量聚乙烯纤维的应用范围。如何改变超高分子量聚乙烯纤维的耐热性和抗蠕变性已成为进一步发展超高分子量聚乙烯纤维的重要课题。
目前，改善超高分子量聚乙烯纤维的耐热性和抗蠕变性的方法主要有以下几种：
一是使纤维自身交联。使超高分子量聚乙烯纤维自身交联可分为化学交联和辐射交联。所谓化学交联，就是在超高分子量聚乙烯加入适当的交联剂后，在熔融过程中发生交联，由于超高分子量聚乙烯的分子量很大，不易熔融，且分子链上无极性基团，所以化学交联不易进行，改性的效果并不是很明显，而且在交联过程中还会发生降解反应，使超高分子量聚乙烯的性能降低。所谓辐射交联，是利用高能辐射使分子链间产生横向交联，它可在一定程度上提高超高分子量聚乙烯纤维的耐热性和抗蠕变性能，但在交联的过程中也不可避免的产生断链降解，随着辐射剂量的增加，降解程度也增加，而且交联后使纤维的拉伸强度和断裂伸长有所降低；另外，此工艺过程较为复杂。
二是加入中等分子量聚乙烯。在超高分子量聚乙烯中加入中等分子量的聚乙烯，包括加入低密度聚乙烯（LDPE）和高密度聚乙烯（HDPE）。虽然LDPE和HDPE的加入会使UHMWPE的流动性有所改善，但却使UHMWPE的力学性能降低很多。
三是添加无机填充剂。在超高分子量聚乙烯加入适当的无机填充剂，如添加二氧化硅、三氧化铝、云母、滑石粉、蒙脱土等，加入的填充剂起到结晶成核剂或者物理交联点的作用，限制了分子的热运动，可以改善纤维的耐热性和抗蠕变性，但填充剂同时也成为应力集中点，导致纤维的抗冲击强度下降。
四是与其它高性能纤维混用。将超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维﹑玻璃纤维和Kevlar纤维混用，也可以改善其耐热性和抗蠕变性，但由于超高分子量聚乙烯分子链上没有极性基团且表面光滑，不能与混用纤维间形成相容界面，两组分间不能形成良好的作用力，并且加入这些纤维也会使超高分子量聚乙烯的流动性变差，难以加工。
中国专利03115230.9公开了一种冻胶纺超高分子质量聚乙烯/碳纳米管复合纤维及其制备，它是在纺丝溶液中添加经过纯化和有机化处理的碳纳米管，制得冻胶纺超高分子质量聚乙烯/ 碳纳米管复合纤维，使得复合纤维的耐热性和抗蠕变性得到改善。但是，由于碳纳米管价格高昂，使得制备的复合纤维成本较高，并且碳纳米管要经过纯化和有机化处理，工序繁杂，给工业化生产造成了一定困难。
发明内容
为克服现有技术的不足之处，本发明提供一种超高分子量超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维，以提高超高分量聚乙烯纤维的耐热性和抗蠕变性，扩大其适用范围；同时本发明还提供一种上述超高分子量超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，其工艺路线简洁、易于操作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明所述的超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维，由超高分子量聚乙烯和碳黑纳米颗粒构成；纳米碳素颗粒的含量为纤维总重量的0.1～5%。
上述超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）将超高分子质量超高分子量聚乙烯、碳黑纳米颗粒和抗氧化剂与投入溶剂中，经乳化机高速剪切搅拌，混合均匀，得到混合料；
（2）将上述所得混合料升温至100～120℃，升温速度控制在2～5℃/min，保温1～4小时，得到纺丝溶液；
（3）纺丝溶液采用常规的超高分子量聚乙烯纤维生产方法，制得超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维。
上述步骤（1）中，超高分子量超高分子量聚乙烯、碳黑纳米颗粒和抗氧化剂的重量份数为：95～99.8、0.1～5和0.1～1份。
所说的超高分子量聚乙烯的分子量>2×106g/mol。
所说的碳黑纳米颗粒的直径为100～1000nm。
所述的溶剂为白油、石蜡油、十氢化萘、矿物油中的一种或者几种；溶剂的粘度在40℃下为40～100Cst。
所述的抗氧化剂为2,6-二叔丁基对甲基苯酚或N-苯基-??-萘胺。
上述步骤（1）中高速剪切搅拌的速度为1000～3000r/min，搅拌时间为0.5～1h。
上述步骤（2）中所述纺丝液的浓度为5%～20%。
本发明的有益效果在于：所制备的超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维，由于添加了具有优异性能的碳黑纳米颗粒，在对超高分子量聚乙烯纤维拉伸的过程中形成一定的取向，比其他改性剂（如无机填充剂和纤维等）与超高分子量聚乙烯复合表现出更好的性能，从而改善超高分子量聚乙烯纤维的耐热性和抗蠕变性，扩大了纤维的适用范围；并且由于碳黑纳米颗粒较碳纳米管价格低廉，大大降低了该纤维的生产成本。同时，本发明所提供的制备方法，其工艺路线简洁、易于操作。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
将重量份数为99.4份的超高分子量聚乙烯粉末（颗粒度80目，平均分子量为4.5×106g/mol）、0.5份的碳黑纳米颗粒（其粒径为100nm）和0.1份作为抗氧剂的2,6-二叔丁基对甲基苯酚，投入900份白油（其粘度在40℃下为50Cst）溶剂中，经乳化机中以1000转/分钟高速剪切搅拌1h，得到均匀的混合料；混合料以2℃/min的升温速度升温至110℃后，保温1小时，得到浓度为10%均匀的纺丝溶液；将纺丝溶液喂入双螺杆挤出机。双螺杆挤出机直径为95mm, L/D=(68), 温度控制在240℃，转速120转/min。挤出物经过滤、计量后从喷头喷出，经过水浴处理后萃取、干燥和热牵伸，拉伸倍数为60倍，得到超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维。
实施例2：
将重量份数为98.7份的超高分子量聚乙烯粉末（颗粒度90目，平均分子量为4×106g/mol）、1份的碳黑纳米颗粒（其粒径为300nm）和0.3份作为抗氧剂的N-苯基-??-萘胺，投入900份的作为溶剂的十氢化萘（其粘度在40℃下为70Cst）中，经乳化机中以2000转/分钟高速剪切搅拌1h，得到混合均匀的混合料；混合料以3℃/min的升温速度升温至100℃后，保温4小时，得到浓度为10%纺丝溶液。采用与实施例1相同的方法，将纺丝溶液制得超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维。
实施例3：
将重量份数为96份的超高分子量聚乙烯粉末（颗粒度100目，平均分子量为3×106g/mol）、3份的碳黑纳米颗粒（其粒径为500nm）和1份作为抗氧剂的N-苯基-??-萘胺，投入400份的作为溶剂的石蜡油（其粘度在40℃下为80Cst）中，经乳化机中以3000转/分钟高速剪切搅拌0.5h，得到混合均匀的混合料；混合料以5℃/min的升温速度升温至120℃后，保温2小时，得到浓度为20%纺丝溶液。采用与实施例1相同的方法，将纺丝溶液制得超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维。
实施例4：
将重量份数为95份的超高分子量聚乙烯粉末（颗粒度120目，平均分子量为5×106g/mol）、4.8份的碳黑纳米颗粒（其粒径为1000nm）、0.2份作为抗氧剂的N-苯基-??-萘胺，投入1900份的作为溶剂的石蜡油（其粘度在40℃下为80Cst）中，经乳化机中以3000转/分钟高速剪切搅拌0.5h，得到混合均匀的混合料；混合料以4℃/min的升温速度升温至120℃后，保温1小时，得到浓度为5%纺丝溶液。采用与实施例1相同的方法，将纺丝溶液制得超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维。
比较例1：
超高分子量聚乙烯粉末（颗粒度80目，分子量为4.5×106g/mol）,溶剂白油和抗氧剂2,6-二叔丁基对甲基苯酚，按质量百分比89.9:10:0.1配成浓度为10%的悬浮液，在氮气保护作用下，以2℃/min的速率升温至110℃，同时以60转/min的速度搅拌，保温1小时，获得均匀的纺丝溶液，然后经过侧喂料装置喂入双螺杆挤出机。双螺杆挤出机直径为95mm, L/D=(68), 温度控制在240℃，转速160转/min。挤出物经过滤、计量后从喷头喷出，经过水浴处理后萃取、干燥和热牵伸，拉伸倍数为60倍，得到超高分子量聚乙烯纤维。
比较例2：
采用中国专利03115230.9记载的实施例1所述方法及其结果。
表1：实施例与比较例所述纤维的性能比较表
通过表1比较发现，本发明制得的超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维（实施例1-4）的模量、强度、抗蠕变性和耐热性较现有的超高分子量聚乙烯纤维（比较例1）有明显的提高；与现有的超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合纤维（比较例2），强度、模量、抗蠕变性和耐热性相当。
Claims (9)
1.一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维，其特征在于：由超高分子量聚乙烯和碳黑纳米颗粒构成；碳黑纳米颗粒的含量为纤维总重量的0.1～5%。
2.一种实现权利要求1所述的超高分子量聚乙烯/碳黑纳米颗粒复合纤维的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将超高分子质量超高分子量聚乙烯、碳黑纳米颗粒和抗氧化剂与投入溶剂中，经乳化机高速剪切搅拌，混合均匀，得到混合料；
（2）将上述所得混合料升温至100～120℃，升温速度控制在2～5℃/min，保温1～4小时，得到纺丝溶液；
（3）纺丝溶液采用常规的超高分子量聚乙烯纤维生产方法，制得超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维。
3.根据要求2所述的一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：上述步骤（1）中，超高分子量超高分子量聚乙烯、碳黑纳米颗粒和抗氧化剂的重量份数为：95～99.8、0.1～5和0.1～1份。
4.根据要求2所述的一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：所说的超高分子量聚乙烯的分子量>2×106g/mol。
5.根据要求2所述的一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：所说的碳黑纳米颗粒的直径为100～1000nm。
6.根据要求2所述的一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：所述的溶剂为白油、石蜡油、十氢化萘、矿物油中的一种或者几种；溶剂的粘度在40℃下为40～100Cst。
7.根据要求2所述的一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：所述的抗氧化剂为2,6-二叔丁基对甲基苯酚或N-苯基-?-萘胺。
8.根据要求2所述的一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：上述步骤（1）中高速剪切搅拌的速度为1000～3000r/min，搅拌时间为0.5～1h。
9.根据要求2所述的一种超高分子量聚乙烯/碳黑纳米复合纤维的制备方法，其特征在于：上述步骤（2）中所述纺丝液的浓度为5%～20%。
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