CN105316786A - 一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，属于聚乙烯纤维制备领域。本发明提供一种通过硅酸和正硅酸乙酯混合，制备前驱体凝胶并在离心纺丝机中纺丝制备多晶莫来石纤维，通过多晶莫来石纤维的耐高温和抗蠕变特性，对其偶联反应接枝聚乙烯纤维，提高与聚乙烯纤维的结合效应并增强其抗蠕变性能的方法。本发明的有益效果是：本发明制备方法简单，成本低于其他成本3%以上；所得产品抗蠕变和耐冲击性强，可耐温度180～200℃。

Description

一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，属于聚乙烯纤维制备领域。

背景技术

聚乙烯是世界上最常用的塑料聚合物，年消耗率超过每年500亿磅。超过70%的Porex产品使用聚乙烯，是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。在工业上，也包括乙烯与少量α-烯烃的共聚物。聚乙烯无臭，无毒，手感似蜡，具有优良的耐低温性能，最低使用温度可达-100～70°C，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀，不耐具有氧化性质的酸。常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，电绝缘性优良。是以乙烯单体聚合而成的聚合物。聚乙烯是1922年由英国ICI合成，1939年开始工业生产，在美国正式工业性生产，大战中为重要的雷达用绝缘材料和军需用品，战后，日本三井石油化学、住友化学（1958年）开始正式生产，1975年14年厂年产140.7万吨，仅次于美国。聚乙烯可加工制成薄膜、电线电缆护套、管材、各种中空制品、注塑制品、纤维等。广泛用于农业、包装、电子电气、机械、汽车、日用杂品等方面。

目前国际上高性能聚乙烯纤维有两种不同的生产工艺技术路线：一条是干法凝胶纺丝工艺路线，另一条是湿法凝胶纺丝工艺路线。干法路线以高挥发性十氢萘为溶剂，超高分子量聚乙烯粉末为原料，采用冻胶干法纺丝，超倍热拉伸，溶剂回收系统一体化制取高性能聚乙烯纤维，纺丝原液自喷丝孔挤出后使十氢萘气化逸出，得到干态凝胶原丝，经高倍拉伸得高性能聚乙烯纤维。湿法路线以矿物油、白油等低挥发性物质为溶剂制备超高分子量聚乙烯纺丝原液，纺丝原液自喷丝孔挤出后进入水浴凝固得到含低挥发性溶剂的湿态凝胶原丝。将湿态凝胶原丝用高挥发性和优良萃取性能的萃取剂经连续萃取装置多级萃取，置换入凝胶原丝中的萃取剂经连续多级干燥装置充分气化逸出，得干态凝胶原丝，经高倍拉伸得高性能聚乙烯纤维。但由于纤维耐热性较差，导致该两种方法制得的聚乙烯纤维不耐高温，纤维的抗蠕变能力较差，在持续受力作用下易发生形变，因其结构具有化学惰性，表面极性较低，与其它材料的粘合性能较差。因此在此基础上研究出一种抗蠕变性能好的聚乙烯纤维，具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对制备的聚乙烯纤维不耐高温，纤维的抗蠕变能力较差，在持续受力作用下易发生形变，因其结构具有化学惰性，表面极性较低，与其它材料的粘合性能较差的弊端，提供了一种通过硅酸和正硅酸乙酯混合，制备前驱体凝胶并在离心纺丝机中纺丝制备多晶莫来石纤维，通过多晶莫来石纤维的耐高温和抗蠕变特性，对其偶联反应接枝聚乙烯纤维，提高与聚乙烯纤维的结合效应并增强其抗蠕变性能的方法。本发明制备方法简单，所得产品抗蠕变性好。

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：

（1）按质量比1:1，将60～80目的铝粉，添加至质量浓度为10%的氯化铝溶液中，对其搅拌并加热至80～100℃使其回流反应2.5～3.0h，随后停止加热并静置冷却至室温，对其抽滤并收集滤液得聚合氯化铝溶液，备用；

（2）按重量份数计，选取45～65份质量浓度为60%的硝酸溶液、25～30份正硅酸乙酯、10～25份无水乙醇，将正硅酸乙酯与无水乙醇在600～800r/min转速下，磁力搅拌0.5～1.0h，随后将其缓慢添加至质量浓度为60%的硝酸溶液中，搅拌10～15min后制备得硅酸溶液；

（3）待制得硅酸溶液后，按质量比2:1，将硅酸溶液缓慢添加至步骤（1）制得的聚合氯化铝溶液中，对其搅拌10～15min使其混合均匀，制备得硅酸铝混合液，随后，再按质量比1:10，将冰醋酸溶液添加至硅酸铝混合液中，并将其置于60～75℃水浴中，对其抽真空至100～200Pa，浓缩反应1.5～2.0h，制备得前驱体凝胶液；

（4）待浓缩反应完成后，将前驱体凝胶液置于离心纺丝机中进行纺丝处理，机头口径为0.5mm，同时设置离心机转速为3000～3500r/min，湿度为50～65℃，待纺丝结束，收集凝胶纤维并置于1200～1500℃下煅烧2～3h，制备得多晶莫来石纤维；

（5）按重量份数计，选取80～90份去离子水、3～8份上述制得的多晶莫来石纤维和7～12份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，将其置于200～300W的超声分散仪中，分散处理10～15min后，升温至55～60℃，并在1200～1500r/min下搅拌混合20min，随后对其抽滤并收集滤饼，将其置于75～80℃烘箱中干燥6～8h，并对其过筛制备得120～150目混合纤维；

（6）按质量比10:1:12，将上述制备的混合纤维和偶氮二异丁腈添加至无水乙醇中，在20～30℃下混合搅拌10～15min，制备得混合纤维液，再按质量比1:8，将混合纤维液置于超高分子量聚乙烯中，在1200～1500r/min下高速搅拌10～15min，随后将其置于造粒机中进行造粒制备得直径大小为4～5mm的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒；

（7）将上述制备的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒置于60～80℃烘箱中干燥6～8h，随后在直径为25mm的单螺杆挤出机中熔融挤出，即可制备得一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维。

本发明的应用方法：将抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维经卷制、固化、脱模、涂装制成制成试件，所得试件质量好，测得拉伸强度为2200～2600MPa，可耐温度180～200℃，线膨胀系数小，可持续使用18～22年不变形，抗蠕变和耐冲击性强。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

（1）本发明制备方法简单，成本低于其他成本3%以上；

（2）所得产品抗蠕变和耐冲击性强，可耐温度180～200℃。

具体实施方式

首先按质量比1:1，将60～80目的铝粉，添加至质量浓度为10%的氯化铝溶液中，对其搅拌并加热至80～100℃使其回流反应2.5～3.0h，随后停止加热并静置冷却至室温，对其抽滤并收集滤液得聚合氯化铝溶液，备用；再按重量份数计，选取45～65份质量浓度为60%的硝酸溶液、25～30份正硅酸乙酯、10～25份无水乙醇，将正硅酸乙酯与无水乙醇在600～800r/min转速下，磁力搅拌0.5～1.0h，随后将其缓慢添加至质量浓度为60%的硝酸溶液中，搅拌10～15min后制备得硅酸溶液；待制得硅酸溶液后，按质量比2:1，将硅酸溶液缓慢添加至备用的聚合氯化铝溶液中，对其搅拌10～15min使其混合均匀，制备得硅酸铝混合液，随后，再按质量比1:10，将冰醋酸溶液添加至硅酸铝混合液中，并将其置于60～75℃水浴中，对其抽真空至100～200Pa，浓缩反应1.5～2.0h，制备得前驱体凝胶液；待浓缩反应完成后，将前驱体凝胶液置于离心纺丝机中进行纺丝处理，机头口径为0.5mm，同时设置离心机转速为3000～3500r/min，湿度为50～65℃，待纺丝结束，收集凝胶纤维并置于1200～1500℃下煅烧2～3h，制备得多晶莫来石纤维；然后按重量份数计，选取80～90份去离子水、3～8份上述制得的多晶莫来石纤维和7～12份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，将其置于200～300W的超声分散仪中，分散处理10～15min后，升温至55～60℃，并在1200～1500r/min下搅拌混合20min，随后对其抽滤并收集滤饼，将其置于75～80℃烘箱中干燥6～8h，并对其过筛制备得120～150目混合纤维；按质量比10:1:12，将上述制备的混合纤维和偶氮二异丁腈添加至无水乙醇中，在20～30℃下混合搅拌10～15min，制备得混合纤维液，再按质量比1:8，将混合纤维液置于超高分子量聚乙烯中，在1200～1500r/min下高速搅拌10～15min，随后将其置于造粒机中进行造粒制备得直径大小为4～5mm的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒；最后将上述制备的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒置于60～80℃烘箱中干燥6～8h，随后在直径为25mm的单螺杆挤出机中熔融挤出，即可制备得一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维。

实例1

首先按质量比1:1，将60目的铝粉，添加至质量浓度为10%的氯化铝溶液中，对其搅拌并加热至80℃使其回流反应2.5h，随后停止加热并静置冷却至室温，对其抽滤并收集滤液得聚合氯化铝溶液，备用；再按重量份数计，选取45份质量浓度为60%的硝酸溶液、30份正硅酸乙酯、25份无水乙醇，将正硅酸乙酯与无水乙醇在600r/min转速下，磁力搅拌0.5h，随后将其缓慢添加至质量浓度为60%的硝酸溶液中，搅拌10min后制备得硅酸溶液；待制得硅酸溶液后，按质量比2:1，将硅酸溶液缓慢添加至备用的聚合氯化铝溶液中，对其搅拌10min使其混合均匀，制备得硅酸铝混合液，随后，再按质量比1:10，将冰醋酸溶液添加至硅酸铝混合液中，并将其置于60℃水浴中，对其抽真空至100Pa，浓缩反应1.5h，制备得前驱体凝胶液；待浓缩反应完成后，将前驱体凝胶液置于离心纺丝机中进行纺丝处理，机头口径为0.5mm，同时设置离心机转速为3000r/min，湿度为50℃，待纺丝结束，收集凝胶纤维并置于1200℃下煅烧2h，制备得多晶莫来石纤维；然后按重量份数计，选取80份去离子水、8份上述制得的多晶莫来石纤维和12份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，将其置于200W的超声分散仪中，分散处理10min后，升温至55℃，并在1200r/min下搅拌混合20min，随后对其抽滤并收集滤饼，将其置于75℃烘箱中干燥6h，并对其过筛制备得120目混合纤维；按质量比10:1:12，将上述制备的混合纤维和偶氮二异丁腈添加至无水乙醇中，在20℃下混合搅拌10min，制备得混合纤维液，再按质量比1:8，将混合纤维液置于超高分子量聚乙烯中，在1200r/min下高速搅拌10min，随后将其置于造粒机中进行造粒制备得直径大小为4mm的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒；最后将上述制备的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒置于60℃烘箱中干燥6h，随后在直径为25mm的单螺杆挤出机中熔融挤出，即可制备得一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维。

将抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维经卷制、固化、脱模、涂装制成制成试件，所得试件质量好，测得拉伸强度为2200MPa，可耐温度180℃，线膨胀系数小，可持续使用18年不变形，抗蠕变和耐冲击性强，值得推广与使用。

实例2

首先按质量比1:1，将70目的铝粉，添加至质量浓度为10%的氯化铝溶液中，对其搅拌并加热至90℃使其回流反应2.8h，随后停止加热并静置冷却至室温，对其抽滤并收集滤液得聚合氯化铝溶液，备用；再按重量份数计，选取50份质量浓度为60%的硝酸溶液、28份正硅酸乙酯、22份无水乙醇，将正硅酸乙酯与无水乙醇在700r/min转速下，磁力搅拌0.8h，随后将其缓慢添加至质量浓度为60%的硝酸溶液中，搅拌12min后制备得硅酸溶液；待制得硅酸溶液后，按质量比2:1，将硅酸溶液缓慢添加至备用的聚合氯化铝溶液中，对其搅拌12min使其混合均匀，制备得硅酸铝混合液，随后，再按质量比1:10，将冰醋酸溶液添加至硅酸铝混合液中，并将其置于67℃水浴中，对其抽真空至150Pa，浓缩反应1.8h，制备得前驱体凝胶液；待浓缩反应完成后，将前驱体凝胶液置于离心纺丝机中进行纺丝处理，机头口径为0.5mm，同时设置离心机转速为3250r/min，湿度为57℃，待纺丝结束，收集凝胶纤维并置于1350℃下煅烧2.5h，制备得多晶莫来石纤维；然后按重量份数计，选取85份去离子水、5份上述制得的多晶莫来石纤维和10份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，将其置于250W的超声分散仪中，分散处理13min后，升温至58℃，并在1350r/min下搅拌混合20min，随后对其抽滤并收集滤饼，将其置于78℃烘箱中干燥7h，并对其过筛制备得135目混合纤维；按质量比10:1:12，将上述制备的混合纤维和偶氮二异丁腈添加至无水乙醇中，在25℃下混合搅拌12min，制备得混合纤维液，再按质量比1:8，将混合纤维液置于超高分子量聚乙烯中，在1350r/min下高速搅拌13min，随后将其置于造粒机中进行造粒制备得直径大小为4.5mm的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒；最后将上述制备的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒置于70℃烘箱中干燥7h，随后在直径为25mm的单螺杆挤出机中熔融挤出，即可制备得一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维。

将抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维经卷制、固化、脱模、涂装制成制成试件，所得试件质量好，测得拉伸强度为2400MPa，可耐温度190℃，线膨胀系数小，可持续使用20年不变形，抗蠕变和耐冲击性强，值得推广与使用。

实例3

首先按质量比1:1，将80目的铝粉，添加至质量浓度为10%的氯化铝溶液中，对其搅拌并加热至100℃使其回流反应3.0h，随后停止加热并静置冷却至室温，对其抽滤并收集滤液得聚合氯化铝溶液，备用；再按重量份数计，选取65份质量浓度为60%的硝酸溶液、25份正硅酸乙酯、10份无水乙醇，将正硅酸乙酯与无水乙醇在800r/min转速下，磁力搅拌1.0h，随后将其缓慢添加至质量浓度为60%的硝酸溶液中，搅拌15min后制备得硅酸溶液；待制得硅酸溶液后，按质量比2:1，将硅酸溶液缓慢添加至备用的聚合氯化铝溶液中，对其搅拌15min使其混合均匀，制备得硅酸铝混合液，随后，再按质量比1:10，将冰醋酸溶液添加至硅酸铝混合液中，并将其置于75℃水浴中，对其抽真空至200Pa，浓缩反应2.0h，制备得前驱体凝胶液；待浓缩反应完成后，将前驱体凝胶液置于离心纺丝机中进行纺丝处理，机头口径为0.5mm，同时设置离心机转速为3500r/min，湿度为65℃，待纺丝结束，收集凝胶纤维并置于1500℃下煅烧3h，制备得多晶莫来石纤维；然后按重量份数计，选取90份去离子水、3份上述制得的多晶莫来石纤维和7份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，将其置于300W的超声分散仪中，分散处理15min后，升温至60℃，并在1500r/min下搅拌混合20min，随后对其抽滤并收集滤饼，将其置于80℃烘箱中干燥8h，并对其过筛制备得150目混合纤维；按质量比10:1:12，将上述制备的混合纤维和偶氮二异丁腈添加至无水乙醇中，在30℃下混合搅拌15min，制备得混合纤维液，再按质量比1:8，将混合纤维液置于超高分子量聚乙烯中，在1500r/min下高速搅拌15min，随后将其置于造粒机中进行造粒制备得直径大小为5mm的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒；最后将上述制备的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒置于80℃烘箱中干燥8h，随后在直径为25mm的单螺杆挤出机中熔融挤出，即可制备得一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维。

将抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维经卷制、固化、脱模、涂装制成制成试件，所得试件质量好，测得拉伸强度为2600MPa，可耐温度200℃，线膨胀系数小，可持续使用22年不变形，抗蠕变和耐冲击性强，值得推广与使用。

Claims (1)

1.一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

（1）按质量比1:1，将60～80目的铝粉，添加至质量浓度为10%的氯化铝溶液中，对其搅拌并加热至80～100℃使其回流反应2.5～3.0h，随后停止加热并静置冷却至室温，对其抽滤并收集滤液得聚合氯化铝溶液，备用；

（2）按重量份数计，选取45～65份质量浓度为60%的硝酸溶液、25～30份正硅酸乙酯、10～25份无水乙醇，将正硅酸乙酯与无水乙醇在600～800r/min转速下，磁力搅拌0.5～1.0h，随后将其缓慢添加至质量浓度为60%的硝酸溶液中，搅拌10～15min后制备得硅酸溶液；

（3）待制得硅酸溶液后，按质量比2:1，将硅酸溶液缓慢添加至步骤（1）制得的聚合氯化铝溶液中，对其搅拌10～15min使其混合均匀，制备得硅酸铝混合液，随后，再按质量比1:10，将冰醋酸溶液添加至硅酸铝混合液中，并将其置于60～75℃水浴中，对其抽真空至100～200Pa，浓缩反应1.5～2.0h，制备得前驱体凝胶液；

（4）待浓缩反应完成后，将前驱体凝胶液置于离心纺丝机中进行纺丝处理，机头口径为0.5mm，同时设置离心机转速为3000～3500r/min，湿度为50～65℃，待纺丝结束，收集凝胶纤维并置于1200～1500℃下煅烧2～3h，制备得多晶莫来石纤维；

（5）按重量份数计，选取80～90份去离子水、3～8份上述制得的多晶莫来石纤维和7～12份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，将其置于200～300W的超声分散仪中，分散处理10～15min后，升温至55～60℃，并在1200～1500r/min下搅拌混合20min，随后对其抽滤并收集滤饼，将其置于75～80℃烘箱中干燥6～8h，并对其过筛制备得120～150目混合纤维；

（6）按质量比10:1:12，将上述制备的混合纤维和偶氮二异丁腈添加至无水乙醇中，在20～30℃下混合搅拌10～15min，制备得混合纤维液，再按质量比1:8，将混合纤维液置于超高分子量聚乙烯中，在1200～1500r/min下高速搅拌10～15min，随后将其置于造粒机中进行造粒制备得直径大小为4～5mm的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒；

（7）将上述制备的多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯颗粒置于60～80℃烘箱中干燥6～8h，随后在直径为25mm的单螺杆挤出机中熔融挤出，即可制备得一种抗蠕变多晶莫来石纤维改性超高分子量聚乙烯纤维。