CN102493168A - 改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法 - Google Patents

改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明有光敏剂和热引发剂共同引发交联，增加了超高分子量聚乙烯纤维表面及内部交联点，提高了交联剂交联效率，更加有效的阻碍超高分子量聚乙烯纤维分子间相对滑移，增加纤维的抗蠕变性能。

Description

改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法
 
技术领域
本发明涉及一种改善超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的方法，具体地说是一种改善UHMWPE纤维抗蠕变性的方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维有着其他高性能纤维无法比拟的力学性能(见表1），弥补了高性能碳纤维、碳化硅纤维等断裂应变小的缺点，因而被广泛地应用于国防军需装备、航空航天、海洋工程、体育休闲用品、通讯光缆补强、特殊建筑材料等领域。由于UHMWPE纤维性能优越，世界各国对其有极大兴趣和相当的重视。
表1 UHMWPE纤维与其他纤维的性能比较
然而，由于聚乙烯是柔性链的无极性高分子，分子间作用力低，纤维在长时间力的作用下容易发生较大的蠕变，导致尺寸、形态的不稳定，严重限制了纤维在许多方面特别是高强绳索领域的应用。因此蠕变是UHMWPE纤维存在的主要问题之一，在使用中掌握其蠕变性能和蠕变规律是十分必要的。研究纤维分子结构与蠕变之间的关系，采用多种方法改善纤维的蠕变性能，对促进UHMWPE纤维的进一步发展和应用有重要的意义。
经研究发现，交联结构可以提高超高分子量聚乙烯纤维分子间的相互作用力，可改善超高分子量聚乙烯的抗蠕变性能。很多学者也都利用多种方法对此进行了诸多研究。贾润礼采用插层法技术用鳞片状石墨对UHMWPE 进行了改性，起到了增强和抗蠕变的作用。德国O.Jacobs等发现在超高分子量聚乙烯纤维中加入HDPE，其蠕变性比纯的超高分子量聚乙烯慢。陈聚文等对超高分子量聚乙烯进行紫外辐照交联，光敏剂为二苯甲酮，有效地改善了纤维的抗蠕变性能，并且纤维的声速取向和结晶度变化不大，而密度有所增加。清华大学采用过氧化二苯甲酰为交联剂对超高分子量聚乙烯进行改性研究，发现其抗冲击强度，耐热性及抗疲劳性能都有提高。
但这些方法对超高分子量聚乙烯纤维的抗蠕变性能提高都不明显，且引发剂的选择都是从单一的光敏剂入手，并没有考虑采用光敏剂和热引发剂共引发的方法。我们选择的是一种光敏剂二苯甲酮和热引发剂过氧化二异丙苯共同引发的方法，使超高分子量聚乙烯纤维分子间交联点更多，尽可能提高交联剂的交联效率。 
发明内容
针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种改善超高分子量聚乙烯抗蠕变性能的方法，它能有效地改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下具体技术方案： 
一种改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，所述方法具体步骤如下：
（1）正庚烷浸泡处理：将UHMWPE纤维完全浸入正庚烷中进行一段时间的溶胀处理；
（2）丙酮洗涤：将溶胀后的UHMWPE纤维利用丙酮溶液采用超声波震荡进行洗涤，然后置于烘箱内烘干至恒重；
（3）交联液浸泡：首先配制含交联剂和引发剂的丙酮的溶液作为交联液；将步骤（2）处理后的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并通入氮气以充分排出氧气；
（4）      交联过程：将步骤（3）处理后的超高分子量聚乙烯纤维放入紫外辐照设备中进行辐照交联，然后进行热处理。
所述步骤（1）中正庚烷浸泡处理时间为12～24h。
所述步骤（2）中超声波震荡频率为50Hz～100Hz，温度为20℃～35℃，时间为10min～20min，所述的烘干温度为25～40℃。
所述步骤（3）中交联液中交联剂的添加量为丙酮质量的20%～30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的1%～3%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=1:9～9:1。
所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
所述的交联液浸泡时间为20min～40min。
所述步骤（4）的紫外辐照时间为30～120min；所述热处理温度为120℃～150℃。
本发明的有益效果：
本发明有光敏剂和热引发剂共同引发交联，增加了超高分子量聚乙烯纤维表面及内部交联点，提高了交联剂交联效率，更加有效的阻碍超高分子量聚乙烯纤维分子间相对滑移，增加纤维的抗蠕变性能。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例，但实施例不限制本发明。
实施例1
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经12h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为50Hz，温度为20℃，时间为10分钟，然后置于烘箱内25℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的20%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的1%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=1:9。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡20min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行30min辐照交联后进行3min热处理，热处理温度为120℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例2
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经24h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为25℃，时间为20分钟，然后置于烘箱内30℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的20%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的2%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=1:4。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡20min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行60min辐照交联后进行6min热处理，热处理温度为120℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例3
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经18h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为50Hz，温度为30℃，时间为15分钟，然后置于烘箱内25℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的20%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的1%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=3:7。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡30min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行90min辐照交联后进行9min热处理，热处理温度为140℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例4
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经18h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为30℃，时间为10分钟，然后置于烘箱内35℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的2%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=2:3。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡30min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行120min辐照交联后进行3min热处理，热处理温度为150℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例5
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经18h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为20℃，时间为20分钟，然后置于烘箱内30℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的1%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=3:2。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡30min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行90min辐照交联后进行6min热处理，热处理温度为140℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例6
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经18h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为25℃，时间为15分钟，然后置于烘箱内30℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的1%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=7:3。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡30min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行60min辐照交联后进行9min热处理，热处理温度为130℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例7
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经24h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为25℃，时间为15分钟，然后置于烘箱内30℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的3%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=4:1。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡30min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行120min辐照交联后进行9min热处理，热处理温度为140℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例8
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经24h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡50Hz，温度为25℃，时间为20分钟，然后置于烘箱内40℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的25%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的3%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=7:3。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡30min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行120min辐照交联后进行9min热处理，热处理温度为140℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例9
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经18h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为25℃，时间为15分钟，然后置于烘箱内30℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的2%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=2:3。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡30min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行120min辐照交联后进行3min热处理，热处理温度为130℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例10
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经12h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为25℃，时间为15分钟，然后置于烘箱内30℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的25%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的2%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=3:7。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡30min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行120min辐照交联后进行6min热处理，热处理温度为130℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例11
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经24h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为25℃，时间为20分钟，然后置于烘箱内35℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的20%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的2%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=4:1。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡40min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行120min辐照交联后进行6min热处理，热处理温度为150℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例12
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经24h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为25℃，时间为15分钟，然后置于烘箱内30℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的2%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=9:1。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡40min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行120min辐照交联后进行9min热处理，热处理温度为120℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例13
（1）取一定长度的超高分子量聚乙烯浸入正庚烷中经24h溶胀；
（2）利用丙酮溶液将其采用超声波震荡进行洗涤，超声波震荡频率为100Hz，温度为35℃，时间为20分钟，然后置于烘箱内40℃烘干至恒重；
（3）交联液的配制：交联剂的添加量为丙酮质量的30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的3%。所述光敏剂与热引发剂的比例为光敏剂：热引发剂=9:1。所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
（4）向交联液中通10分钟氮气以充分赶氧，然后将预处理的UHMWPE纤维浸泡于交联液中，并继续通入氮气10分钟以充分赶氧，再浸泡40min。
（5）将经过交联液浸泡的超高分子量聚乙烯放入紫外辐照设备中进行120min辐照交联后进行9min热处理，热处理温度为150℃即可制得所述的具有高抗蠕变性能的超高分子量聚乙烯纤维。
 
实施例所述的改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法结果列于表2中，0号试样为对比实施例，即未经过本发明方法处理过的超高分子量聚乙烯纤维。
表2
实施例编号 0 1 2 3 4 5 6
蠕变（%） 7.848 5.097 5.736 5.209 3.287 4.036 2.858
实施例编号 7 8 9 10 11 12 13
蠕变（%） 1.753 2.260 3.263 3.338 2.998 4.276 4.836

Claims (8)

1.一种改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
（1）正庚烷浸泡处理：将超高分子量聚乙烯纤维浸入正庚烷中进行溶胀处理，处理时间为12h～24h；
（2）丙酮洗涤：将溶胀后的超高分子量聚乙烯纤维采用超声波震荡进行洗涤，然后置于烘箱内烘干至恒重；
（3）交联液浸泡：首先配制含交联剂和引发剂的丙酮的溶液作为交联液；将步骤（2）处理后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡于交联液中，并通入氮气以排出氧气，再浸泡20～40min；
交联过程：将步骤（3）处理后的超高分子量聚乙烯纤维放入紫外辐照设备中进行辐照交联，然后热处理3～9min。
2.根据权利要求1所述的改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，其特征在于，所述步骤（1）中正庚烷浸泡处理时间为12小时。
3.根据权利要求1所述的改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，其特征在于，所述步骤（2）中超声波震荡频率为50Hz～100Hz，温度为20℃～35℃，时间为10min～20min，所述的烘干温度为25℃～40℃。
4.根据权利要求1所述的改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，其特征在于，所述步骤（3）中交联液中交联剂的添加量为丙酮质量的20%～30%；所述的引发剂包括光敏剂与热引发剂，其二者的总添加量为丙酮质量的1%～3%。
5.根据权利要求4所述的改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，其特征在于，所述的光敏剂为二苯甲酮，热引发剂为过氧化二异丙苯。
6.根据权利要求5所述的改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，其特征在于，所述引发剂比例为光敏剂：热引发剂=1:9～9:1。
7.根据权利要求6所述的改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，其特征在于，所述的交联液浸泡时间为20min～40min。
8.根据权利要求7所述的改善超高分子量聚乙烯纤维抗蠕变性能的方法，其特征在于，所述步骤（4）的紫外辐照时间为30～120min；所述热处理温度为120℃～150℃。
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