CN101457476B - 一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法 - Google Patents

一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，在反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在130～180℃下溶解于1000～5000重量份溶剂中，加入0.1～3重量份极性单体、0.01～0.3重量份引发剂，5～20MPa压力下反应1～2小时，加入0.5～3重量份纳米无机粉末，继续反应1～2小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液，然后在60～100℃下，将100重量份UHMWPE纤维在500～2000重量份UHMWPE的反应液中溶胀5～30分钟，再将溶胀后UHMWPE纤维在0～40℃进行骤冷处理，最后制得表面粘结性能得到提高的超高分子量聚乙烯纤维。与现有技术相比，本发明可以改变纤维表面的粗糙程度和表面极性基团的含量，大大提高纤维与树脂的界面粘结力，粘结效果显著。

Description

一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法
技术领域
本发明属于化学纤维表面处理领域，涉及一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法。
背景技术
随着科学技术的突飞猛进和化学纤维工业的发展，出现了一批具有特殊性能的高技术纤维，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维就是这样一种纤维。UHMWPE纤维是由平均相对分子质量在100万以上的聚乙烯纺制而成的纤维，它是继碳纤维和芳纶纤维之后出现的又一种具有高强度、高模量的高性能纤维，具有其它高性能纤维所无法比拟的优异性能。此外，它还具有优异的耐化学性和耐候性、高能量吸收性、低导电性、可透过X-射线及一定的防水性等特性。
由于UHMWPE由简单的亚甲基组成，使得纤维表面不仅没有任何反应活性点，难以与树脂形成化学键结合，而且亚甲基的非极性。加上高倍拉伸成形的高度结晶、高度取向的光滑表面，使其表面能极低，不易被树脂浸润，又无粗糙的表现以供形成机械啮合点，因此提高UHMWPE纤维的界面粘合性成为该纤维作为复合材料生产过程中的首要问题。对UHMWPE纤维进行表面处理，以提高复合材料的界面结合强度，已成为复合材料科学研究的重要课题之一，UHMWPE纤维表面处理的方法有很多，比如：等离子处理、电晕放电处理、辐照引发表面接枝处理、氧化处理法等。
电晕放电处理：目前UHMWPE纤维的有些工业化商品是经过简单的电晕放电处理，但是效果不是很明显。并且电晕放电处理在很大程度上受到了作业间歇性的限制。因此电晕放电处理要实现工业化、连续化还存在很大的难度。
辐照引发表面接枝：UHMWPE纤维紫外光引发交联表面处理，在理论上可以实现连续化进行，而且只对极薄的表层有影响，因而具有工业应用前景。但是由于纤维需要经过一定时间的辐照，所以间歇作业在很大程度上限制了它的应用。
等离子表面处理后的UHMWPE纤维活性基团的衰减率比较大，两小时就衰减了三分之一。CN1035308A公开了等离子体处理UHMWPE纤维表面粘结性能的方法，此方法可有效提高纤维对树脂基体的润湿性和表面粘结强度，但此法难以实现连续化生产。
表面氧化处理是通过氧化性化学试剂或气体对纤维表面进行氧化处理，从而改变纤维表面的粗糙程度和表面极性基团的含量。通常分为湿法和干法。湿法是液相氧化，介质有KMnO4+KNO3、K2Cr2O7+H2SO4、H2O2、王水、氯磺酸等，虽然易于控制，但设备要求较高，操作复杂，污染严重。气相氧化常用光氧化和臭氧氧化等，该方法氧化程度难以控制，有可能造成氧化程度过深而造成纤维强度下降的现象。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的不足之处而提供一种提高纤维与树脂的界面粘结力，粘结效果显著的超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在130～180℃下溶解于1000～5000重量份溶剂中；
(2)加入0.1～3重量份极性单体、0.01～0.3重量份引发剂，在5～20MPa压力下反应1～2小时；
(3)加入0.5～3重量份纳米无机粉末，继续反应1～2小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液；
(4)在60～100℃下，将100重量份超高分子量聚乙烯纤维在500～2000重量份超高分子量聚乙烯的反应液中溶胀5～30分钟；
(5)将溶胀后超高分子量聚乙烯纤维在0～40℃进行骤冷处理，制得表面粘结性能得到提高的超高分子量聚乙烯纤维。
所述的超高分子量聚乙烯的粘均分子量是150-500万。
所述的溶剂包括甲苯、二甲苯、四氢萘、十氢萘、煤油或液体石蜡中的一种，其优选的用量为2000～3000重量份。
所述的极性单体包括马来酸酐、丙烯酸、α-甲基丙烯酸中的一种，其优选的用量为0.5～1.5重量份。
所述的引发剂包括过氧化二异丙苯、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧-3-乙炔中的一种，其优选的用量为0.05～0.15重量份。
所述的纳米无机粉末包括SiO2、Al2O3、CaCO3、蒙脱土中的一种，其优选的用量为0.5～2重量份。
所述的超高分子量聚乙烯纤维包括单丝、复丝、机织物和编织物中的一种。
与现有技术相比，本发明利用表面结晶生长法的原理，是一种对UHMWPE纤维进行表面处理的方法。具有以下优点：
1、该方法使纤维表面形成一层经接枝改性的UHMWPE的结晶，从而改变纤维表面的粗糙程度和表面极性基团的含量，大大提高纤维与树脂的界面粘结力，该方法比以色列的Yachin Cohen一组采用将UHMWPE纤维在含有纯UHMWPE的煤油中溶胀，粘结效果更加显著。
2、由于处理时间短，进而克服了间歇作业带来的局限性。并且反应液可以循环使用。该方法的整个操作过程比较简便，且易于控制。因此该方法比较容易实现连续化。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明。而不是限制本发明的范围。实施例中各组分加量均为重量份数。
以下实施例中纤维性能指标的测试方法为：
纤维表面粘结性能的测定：
为了测定纤维表面的粘结性能，采用的树脂组成如下：环氧树酯618∶酸酐稀释剂711∶缩胺环氧树脂固化剂105＝2∶2∶1。
将树脂置于5mm高圆盘内，让待测纤维垂直悬挂穿过圆盘中心，并在室温固化约24h，固化后测量纤维埋入树脂中的长度即树脂的厚度，用最大拔出强度来表示纤维与环氧树脂的粘结性能。
最大拔出强度可定义为：τmax＝F/πNd1
式中：F为最大拔出力(N)；d为单丝纤维直径(m)；1为纤维埋入长度(m)；N为纤维根数(根)；τmax为最大拔出强度(MPa)。
实施例1：
在反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在130℃下溶解于1000重量份煤油溶剂中，加入0.1重量份马来酸酐、0.01重量份过氧化二异丙苯，5MPa压力下反应1小时，加入0.5重量份纳米SiO2无机粉末，继续反应1小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液。然后在60℃下，将100重量份UHMWPE纤维在500重量份UHMWPE的反应液中溶胀5分钟，再将溶胀后UHMWPE纤维，在40℃进行骤冷处理，最后制得改性的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例2：
在反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在180℃下溶解于1000重量份甲苯溶剂中，加入3重量份马来酸酐、0.3重量份过氧化二异丙苯，20MPa压力下反应2小时，加入3重量份纳米SiO2无机粉末，继续反应2小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液。然后在100℃下，将100重量份UHMWPE纤维在500重量份UHMWPE的反应液中溶胀10分钟，再将溶胀后UHMWPE纤维，在0℃进行骤冷处理，最后制得改性的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例3：
在反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在150℃下溶解于3000重量份煤油溶剂中，加入0.3重量份马来酸酐、0.03重量份2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧-3-乙炔，10MPa压力下反应1小时，加入1重量份纳米CaCO3无机粉末，继续反应2小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液。然后在60℃下，将100重量份UHMWPE纤维在500重量份UHMWPE的反应液中溶胀10分钟，再将溶胀后UHMWPE纤维，在10℃进行骤冷处理，最后制得改性的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例4：
在反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在150℃下溶解于3000重量份二甲苯溶剂中，加入0.5重量份马来酸酐、0.05重量份2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧-3-乙炔，10MPa压力下反应1小时，加入1重量份纳米Al2O3无机粉末，继续反应2小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液。然后在80℃下，将100重量份UHMWPE纤维在500重量份UHMWPE的反应液中溶胀30分钟，再将溶胀后UHMWPE纤维在20℃进行骤冷处理，最后制得改性的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例5：
在反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在130℃下溶解于1000重量份十氢萘溶剂中，加入1重量份马来酸酐、0.1重量份过氧化二异丙苯，5MPa压力下反应1小时，加入1重量份纳米Al2O3无机粉末，继续反应1小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液。然后在100℃下，将100重量份UHMWPE纤维在1000重量份UHMWPE的反应液中溶胀20分钟，再将溶胀后UHMWPE纤维在0℃进行骤冷处理，最后制得改性的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例6：
在反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在130℃下溶解于2000重量份煤油溶剂中，加入1.5重量份马来酸酐、0.15重量份过氧化二异丙苯，5MPa压力下反应1小时，加入2重量份纳米SiO2无机粉末，继续反应1小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液。然后在60℃下，将100重量份UHMWPE纤维在500重量份UHMWPE的反应液中溶胀5分钟，再将溶胀后UHMWPE纤维，在40℃进行骤冷处理，最后制得改性的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例7：
在反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在180℃下溶解于5000重量份煤油溶剂中，加入0.1重量份马来酸酐、0.01重量份过氧化二异丙苯，5MPa压力下反应2小时，加入0.5重量份纳米SiO2无机粉末，继续反应2小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液。然后在100℃下，将100重量份UHMWPE纤维在2000重量份UHMWPE的反应液中溶胀5分钟，再将溶胀后UHMWPE纤维，在0℃进行骤冷处理，最后制得改性的超高分子量聚乙烯纤维。
序号 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7 原丝
Tmax最大拔出强度(MPa) 8.002 9.141 8.354 8.946 9.053 8.554 9.216 3.858

Claims (7)

1. 一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)反应釜中，将100重量份的超高分子量聚乙烯在130～180℃下溶解于1000～5000重量份溶剂中；
(2)加入0.1～3重量份极性单体、0.01～0.3重量份引发剂，在5～20MPa压力下反应1～2小时；
(3)加入0.5～3重量份纳米无机粉末，继续反应1～2小时，制成改性超高分子量聚乙烯反应液；
(4)在60～100℃下，将100重量份超高分子量聚乙烯纤维在500～2000重量份超高分子量聚乙烯的反应液中溶胀5～30分钟；
(5)将溶胀后超高分子量聚乙烯纤维在0～40℃进行骤冷处理，制得表面粘结性能得到提高的超高分子量聚乙烯纤维。
2. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯的粘均分子量是150-500万。
3. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于，所述的溶剂包括甲苯、二甲苯、四氢萘、十氢萘、煤油或液体石蜡中的一种，其优选的用量为2000～3000重量份。
4. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于，所述的极性单体包括马来酸酐、丙烯酸、α-甲基丙烯酸中的一种，其优选的用量为0.5～1.5重量份。
5. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于，所述的引发剂包括过氧化二异丙苯、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧-3-乙炔中的一种，其优选的用量为0.05～0.15重量份。
6. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于，所述的纳米无机粉末包括SiO2、Al2O3、CaCO3、蒙脱土中的一种，其优选的用量为0.5～2重量份。
7. 根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯纤维包括单丝、复丝、机织物和编织物中的一种。
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