CN118835459A - 一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，涉及纤维改性技术领域。该聚乙烯纤维改性方法，包括以下步骤：S1将去离子水、硅烷偶联剂和乙醇混合后超声处理得到溶液A；S2将PE纤维放入溶液A中，水浴加热后烘干得到PE‑1；S3将盐酸多巴胺、三羟基氨基甲烷和去离子水混合得到溶液B；S4.将PE‑1放入溶液B中磁力搅拌后烘干得到PE‑2；S5将PE‑2加入到含有石墨烯的去离子水中，超声烘干后得到PE‑3；S6将PE‑3放入镀铜溶液D中浸泡后去除烘干得到改性的超高分子量聚乙烯纤维。通过改性后的纤维表面具有多巴胺涂层，能够增强纤维与其他物体的亲和力。
Description
技术领域
本发明涉及纤维改性技术领域，具体为一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维由于其出色的机械性能，如高的抗张强度和耐磨性，以及优异的化学稳定性和耐环境应力开裂性，被广泛应用于ECC混凝土、防弹背心、钓鱼线、运动器材等领域。然而，超高分子量聚乙烯纤维的极低表面能以及无导电性能，这限制了它在纤维导电混凝土和柔性纤维加热器方向的应用。
因此，本发明对超高分子量聚乙烯纤维进行表面化学导电改性，在其表面制备了一种铜/还原氧化石墨烯(Cu/RGO)杂化涂层，该涂层具有优异的拉伸强度、高热稳定性和高阻燃性，可用于电加热器。采用盐酸多巴胺对PE纤维进行表面改性，再经RGO活化和化学镀铜，得到铜包覆PE纤维(Cu/RGO-PE)。聚多巴胺和RGO作为化学镀铜的协同活化剂。改性之后的Cu/RGO-PE纤维表现出优异的导电性、发热性能和耐腐蚀性，可用作柔性导电纤维和耐腐蚀耐磨加热器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，解决了聚乙烯纤维由于无导电性能限制了在纤维导电混凝土和柔性纤维加热器方向应用的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，包括以下步骤：
步骤1：将三种液体混合并在一定的温度下超声适当的时间，得到溶液A；
步骤2：将两种物质溶解于去离子水中，得到溶液B，并使得溶液B达到一定的pH；
步骤3：将固体材料溶于去离子水中得到溶液C，并超声分散均匀；
步骤4：将四种物质混合并用氢氧化钠调节pH，得到镀铜溶液D：
步骤5：将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于溶液A中，并在适当温度下水浴加热一定的时间，烘干得到PE-1；
步骤6：将PE-1放入溶液B中，以特定的温度，时间和转速下用磁力搅拌机搅拌，烘箱烘干，得到PE-2；
步骤7：将PE-2加入到溶液C中，以特定的频率超声一定时间，并用烘箱烘干，得到的纤维为PE-3。
步骤8：将PE-3放入镀铜溶液D中，并用氢氧化钠调节pH，然后将纤维浸泡取出并在特定温度下烘干得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
优选的，所述步骤1中，三种液体分别为去离子水、无水乙醇和硅烷偶联剂，其中硅烷偶联剂为KH550、KH560和KH570中的一种或多种混合。
优选的，所述步骤2中，两种物质分别为盐酸多巴胺、单宁酸、儿茶酚和三羟基氨基甲烷(Tr i s)中的任意两种，且质量比为(2.5-7.5)：(1-3)，溶液B的pH值稳定在8-9之间。
优选的，所述步骤3中，固体材料为石墨烯和氧化石墨烯中的任意一种，溶质含量为1-10g，以5-8KHZ的频率，并在0-50℃的温度条件下敞开超声处理10-30min。
优选的，所述步骤4中，四种物质分别为十二烷基硫酸钠、硫酸铜五水合物、乙二胺四乙酸二钠、铁氰化钾三水合物、乙醛酸一水合物中的任意多种混合，四种物质的质量比为(5-10)：(10-15)：(5-10)：(1-5)，pH值为(8-12)。
优选的，所述步骤5中，水浴温度为60℃，加热时间为6h。
优选的，所述步骤6中，在室温下以350r/min的转速持续磁力搅拌12h，烘箱烘干的温度为60℃。
优选的，所述步骤7中，超声频率为5.5KHZ，超声时间为30min，烘箱烘干温度为60℃。
优选的，所述步骤8中，pH值调节为12，烘干温度为60℃。
本发明提供了一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法。具备以下有益效果：
1、本发明通过改性后的纤维表面具有多巴胺涂层，能够增强纤维与其他物体的亲和力；同时由于导电改性PE纤维的力学性能优异，可以将其应用于纤维导电混凝土和柔性电极材料当中；最后本发明在改性聚乙烯纤维的过程中不使用任何有毒害污染环境的药品，无毒无害、适合各产业使用。
附图说明
图1为本发明的纤维静态电阻测试示意图；
图2为本发明的改性前后纤维的接触角测试示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
本发明实施例提供一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，包括以下步骤：
步骤1：将三种液体混合并在一定的温度下超声适当的时间，得到溶液A，三种液体分别为去离子水、无水乙醇和硅烷偶联剂，其中硅烷偶联剂为KH550、KH560和KH570中的一种或多种混合；
步骤2：将两种物质溶解于去离子水中，得到溶液B，并使得溶液B达到pH值稳定在8-9之间，两种物质分别为盐酸多巴胺、单宁酸、儿茶酚和三羟基氨基甲烷(Tr i s)中的任意两种，且质量比为(2.5-7.5)：(1-3)；
步骤3：将固体材料溶于去离子水中得到溶液C，并以5-8KHZ的频率，在0-50℃的温度条件下敞开超声处理10-30min分散均匀，固体材料为石墨烯和氧化石墨烯中的任意一种，溶质含量为1-10g；
步骤4：将四种物质混合并用氢氧化钠调节pH值至(8-12)，得到镀铜溶液D，四种物质分别为十二烷基硫酸钠、硫酸铜五水合物、乙二胺四乙酸二钠、铁氰化钾三水合物、乙醛酸一水合物中的任意多种混合，四种物质的质量比为(5-10)：(10-15)：(5-10)：(1-5)；
步骤5：将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于溶液A中，并在60℃的温度下水浴加热6h，烘箱内以60℃烘干得到PE-1；
步骤6：将PE-1放入溶液B中，在室温下以350r/min的转速持续磁力搅拌12h，烘箱内以60℃烘干得到PE-2；
步骤7：将PE-2加入到溶液C中，以5.5KHZ的频率超声30min，并用烘箱烘干，得到的纤维为PE-3。
步骤8：将PE-3放入镀铜溶液D中，并用氢氧化钠调节pH至12，然后将纤维浸泡取出并在60℃下烘干得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
对比例一：
在上述实施例的基础上，公开一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，包括以下步骤：
步骤1：将去离子水、硅烷偶联剂KH550和乙醇按35：10：5的比例混合均匀，在5KHZ的频率，温度在35℃，超声处理30min得到溶液A；
步骤2：将超高分子量聚乙烯纤维放入溶液A中，并在40℃下水浴6h，在60℃下烘干6h得到PE-1；
步骤3：将盐酸多巴胺和三羟基氨基甲烷按照5：2的比例混合，加入去离子水中搅拌均匀，并调节pH值为8，得到溶液B；
步骤4：将PE-1放入溶液B中搅拌，在50℃温度下以300r/min的转速持续磁力搅拌为6h，之后在70℃下烘6h得到PE-2。
步骤5：将5g PE-2纤维加入含有5g石墨烯的100mL的去离子水中，以5KHZ的频率超声处理15min，混合均匀得到溶液C，得到表面涂覆氧化石墨烯的纤维PE-3；
步骤6：将PE-3放入镀铜溶液D中浸泡12h，其中镀铜溶液是硫酸铜五水合物、乙二胺四乙酸二钠、铁氰化钾三水合物和乙醛酸一水合物按7：7：7:3的比例混合，用氢氧化钠调节pH值为8，之后取出在70℃下烘6h得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
对比例二：
在上述实施例的基础上，公开一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，包括以下步骤：
步骤1：将去离子水、硅烷偶联剂KH550和乙醇按35：10：5的比例混合均匀，在6KHZ的频率，温度在45℃，超声处理25min得到溶液A；
步骤2：将超高分子量聚乙烯纤维放入溶液A中，并在40℃下水浴6h，在60℃下烘干6h得到PE-1；
步骤3：将盐酸多巴胺和三羟基氨基甲烷按照4：2的比例混合，加入去离子水中搅拌均匀，并调节pH值为8.2，得到溶液B；
步骤4：将PE-1放入溶液B中搅拌，在55℃温度下以300r/min的转速持续磁力搅拌为6h，之后在70℃下烘6h得到PE-2。
步骤5：将5g PE-2纤维加入含有6g石墨烯的100mL的去离子水中，以5KHZ的频率超声处理15min，混合均匀得到溶液C，得到表面涂覆氧化石墨烯的纤维PE-3；
步骤6：将PE-3放入镀铜溶液D中浸泡24h，其中镀铜溶液是硫酸铜五水合物、乙二胺四乙酸二钠、铁氰化钾三水合物和乙醛酸一水合物按7：7：7:3的比例混合，用氢氧化钠调节pH值为8，之后取出在70℃下烘12h得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
对比例三：
在上述实施例的基础上，公开一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，包括以下步骤：
步骤1：将去离子水、硅烷偶联剂KH550和乙醇按33：10：7的比例混合均匀，在8KHZ的频率，温度在55℃，超声处理30min得到溶液A；
步骤2：将超高分子量聚乙烯纤维放入溶液A中，并在40℃下水浴6h，在60℃下烘干12h得到PE-1；
步骤3：将盐酸多巴胺和三羟基氨基甲烷按照7：2的比例混合，加入去离子水中搅拌均匀，并调节pH值为8.5，得到溶液B；
步骤4：将PE-1放入溶液B中搅拌，在60℃温度下以300r/min的转速持续磁力搅拌为6h，之后在70℃下烘6h得到PE-2。
步骤5：将5g PE-2纤维加入含有7g石墨烯的100mL的去离子水中，以6KHZ的频率超声处理15min，混合均匀得到溶液C，得到表面涂覆氧化石墨烯的纤维PE-3；
步骤6：将PE-3放入镀铜溶液D中浸泡24h，其中镀铜溶液是硫酸铜五水合物、乙二胺四乙酸二钠、铁氰化钾三水合物和乙醛酸一水合物按7：7：7:3的比例混合，用氢氧化钠调节pH值为8.5，之后取出在70℃下烘12h得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
对比例四：
在上述实施例的基础上，公开一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，包括以下步骤：
步骤1：将去离子水、硅烷偶联剂KH550和乙醇按35：8：7的比例混合均匀，在7KHZ的频率，温度在45℃，超声处理30min得到溶液A；
步骤2：将超高分子量聚乙烯纤维放入溶液A中，并在50℃下水浴6h，在60℃下烘干6h得到PE-1；
步骤3：将盐酸多巴胺和三羟基氨基甲烷按照5.5：2的比例混合，加入去离子水中搅拌均匀，并调节pH值为8.5，得到溶液B；
步骤4：将PE-1放入溶液B中搅拌，在50℃温度下以300r/min的转速持续磁力搅拌为6h，之后在70℃下烘12h得到PE-2。
步骤5：将5g PE-2纤维加入含有8g石墨烯的100mL的去离子水中，以8KHZ的频率超声处理20min，混合均匀得到溶液C，得到表面涂覆氧化石墨烯的纤维PE-3；
步骤6：将PE-3放入镀铜溶液D中浸泡24h，其中镀铜溶液是硫酸铜五水合物、乙二胺四乙酸二钠、铁氰化钾三水合物和乙醛酸一水合物按8：7：4:3的比例混合，用氢氧化钠调节pH值为8.5，之后取出在70℃下烘12h得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
对制备得到的改性超高分子量聚乙烯纤维进行性能测试：
1.稳定性测试：取四份改性超高分子量聚乙烯纤维，放置于水泥质控溶液中，放置7天、28天，取出烘干后用万用表别对其电导率进行测试。结果如图1所示，图1a和图1b分别为改性前后正常纤维和导电纤维在静态下的电阻，可知正常PE纤维和改性超高分子量聚乙烯纤维在万用表的测试下，改性纤维表现出优异的电学性能而正常PE纤维的则数值为0不导电；图1c和图1d分别为改性超高分子量聚乙烯掺入水泥中放置7和28天的静态电阻，可知添加改性超高分子量聚乙烯纤维的混凝土具有导电性能。
2.电导率测试：将正常PE纤维和对比例1-4所制备的改性超高分子量聚乙烯纤维分别使用压片机器压制成均匀的薄片，并用四探针测试仪对其电导率和电阻率进行测试，测试结果如下表所示：
可以看出正常PE纤维和改性后的超高分子量聚乙烯纤维电导率和电阻率的不同，正常PE纤维的电阻较大，电阻率偏小，很难通过电流。而改性后的改性超高分子量聚乙烯纤维表现出较大的电导率和较小的电阻率，导电性能相对更好。
3.亲水性测试：分别对正常PE纤维和改性超高分子量聚乙烯纤维进行接触角测试，结果如图2所示，表明改性的超高分子量聚乙烯纤维表现出较好的亲水性，而正常PE纤维则表现出疏水性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将三种液体混合并在一定的温度下超声适当的时间，得到溶液A；
步骤2：将两种物质溶解于去离子水中，得到溶液B，并使得溶液B达到一定的pH；
步骤3：将固体材料溶于去离子水中得到溶液C，并超声分散均匀；
步骤4：将四种物质混合并用氢氧化钠调节pH，得到镀铜溶液D：
步骤5：将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于溶液A中，并在适当温度下水浴加热一定的时间，烘干得到PE-1；
步骤6：将PE-1放入溶液B中，以特定的温度，时间和转速下用磁力搅拌机搅拌，烘箱烘干，得到PE-2；
步骤7：将PE-2加入到溶液C中，以特定的频率超声一定时间，并用烘箱烘干，得到的纤维为PE-3。
步骤8：将PE-3放入镀铜溶液D中，并用氢氧化钠调节pH，然后将纤维浸泡取出并在特定温度下烘干得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
2.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：所述步骤1中，三种液体分别为去离子水、无水乙醇和硅烷偶联剂，其中硅烷偶联剂为KH550、KH560和KH570中的一种或多种混合。
3.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：所述步骤2中，两种物质分别为盐酸多巴胺、单宁酸、儿茶酚和三羟基氨基甲烷(Tris)中的任意两种，且质量比为(2.5-7.5)：(1-3)，溶液B的pH值稳定在8-9之间。
4.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：所述步骤3中，固体材料为石墨烯和氧化石墨烯中的任意一种，溶质含量为1-10g，以5-8KHZ的频率，并在0-50℃的温度条件下敞开超声处理10-30min。
5.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：所述步骤4中，四种物质分别为十二烷基硫酸钠、硫酸铜五水合物、乙二胺四乙酸二钠、铁氰化钾三水合物、乙醛酸一水合物中的任意多种混合，四种物质的质量比为(5-10)：(10-15)：(5-10)：(1-5)，pH值为(8-12)。
6.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：所述步骤5中，水浴温度为60℃，加热时间为6h。
7.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：所述步骤6中，在室温下以350r/min的转速持续磁力搅拌12h，烘箱烘干的温度为60℃。
8.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：所述步骤7中，超声频率为5.5KHZ，超声时间为30min，烘箱烘干温度为60℃。
9.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的方法，其特征在于：所述步骤8中，pH值调节为12，烘干温度为60℃。
10.根据权利要求1所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维导电性能的应用，其特征在于：使用权利要求1-9任一项所述的方法改性超高分子量聚乙烯，得到具有导电性的超高分子量聚乙烯纤维，采用该纤维制得的铜包覆PE纤维具有低电阻，通电后发热稳定的特点。
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