CN105862422A - 一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括：将超高分子量聚乙烯纤维进行预处理；以煤油为溶剂，配制聚乙烯蜡‑g‑马来酸酐整理液；然后将预处理的超高分子量聚乙烯纤维浸入到整理液中，浸轧处理，烘干；将烘干后得到的纤维浸入到引发剂溶液中，取出，热处理，得到改性超高分子量聚乙烯纤维。本发明的方法在改善纤维的表面性能的同时，也可进一步提升纤维的抗蠕变性，具有无毒、无副反应、气味小等优点，具有广阔的应用前景。

Description

一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法
技术领域
本发明属于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维表面改性领域，特别涉及一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是继碳纤维和芳纶纤维之后出现的第三代具有高强度、高模量的高性能的纤维，具有优异的物理机械性能和耐化学性、耐海水性、耐磨性、高的剪切强度、抗屏蔽、低密度等众多的优异性能。尽管UHMWPE纤维在力学性能方面性能优异，但是其存在耐热性、抗蠕变性、耐氧化性等方面存在不足，除此之外，由于其表面能低，表面缺乏极性基团等原因，使得纤维表面加工性能差，集中体现在纤维与树脂、橡胶等基体之间界面结合力低、无法染色、纤维间抱合力差。故对纤维进行特定的改性处理，对于进一步拓展纤维的应用范围具有十分重要的意义。
目前，国内外有关UHMWPE纤维改性的研究可以分为两方面，一方面是纤维成型前改性，是指在纤维成型过程中，通过添加改性物质，以得到纤维改性的目的；一方面是纤维成型后的改性，主要为表面改性，方法有表面化学处理法、等离子体表面处理、表面接枝改性、表面涂层改性、交联改性、辐射改性法。并且为了改善纤维与树脂基体之间的粘结性，研究的主体除了纤维外，还有基体的改性研究。
虽然，UHMWPE纤维改性的方法很多，但是，近几年，很少有新的改性方法出现，而老的方法又各自存在缺陷，如资金投入大、设备要求高、环境污染重、控制难度大、不能连续化生产等缺点。
中国专利CN104278511A公开了一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法。该方法结合超声波及铬酸溶液氧化法对超高分子量聚乙烯纤维进行复合表面改性，可有效增加纤维表面粗糙度及表面性能。此种方法虽然较单一液相氧化处理有所提升，但是对纤维强度还是有较大的损伤，且存在严重的环境污染问题。
中国专利CN102400375A公开了一种共辐照接枝技术生产改性超高分子量聚乙烯纤维的方法。此方法将共辐照接枝工序与超高分子量聚乙烯纤维的生产工序相连，形成了纤维制备和改性的连续化生产工艺。但是由于单体的存在，此方法存在副反应多、毒性大、气味大等缺点。
中国专利CN101831802A公开了一种超高分子量聚乙烯纤维表面紫外辐照二步接枝法。该方法将预处理纤维的表面涂覆光敏剂后，先后分别进行两次辐照接枝。此方法可大大提高纤维与基体的粘结性能，但是存在副反应多、气味大等缺点。
中国专利CN101988266A公开了一种提高超高分子量聚乙烯纤维表面粘结强度的方法。该方法首先对纤维进行溶胀处理，然后浸入相容剂中，通过渗透方法在纤维表面形成过渡层，从而提高纤维表面的浸润性。但是这种方法会在一定程度上破坏纤维的高取向，并且难以控制溶胀及渗透的程度。
M.Stefecka等在Atmospheric-pressure plasma treatment of ultrahigh molecular weightpolyethylene fibers(Journal of materials science letters,1999,18:2007-2008)中，使用常压氮等离子体处理纤维，并研究了其与丁二烯橡胶粘结指数，发现经过等离子体处理后粘结指数增加了44％。但是这种方法存在着设备要求高，且处理效果存在时效性等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，该方法使用聚乙烯蜡-g-马来酸酐(聚乙烯蜡接枝马来酸酐聚合物)对UHMWPE纤维进行表面活化处理，最终在不影响UHMWPE纤维本身性能的同时大大改善了纤维的表面性能和抗蠕变性。
本发明的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括：
(1)将超高分子量聚乙烯纤维进行预处理；
(2)以煤油为溶剂，配制聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液；然后将步骤(1)中预处理的超高分子量聚乙烯纤维浸入到整理液中，浸轧处理，烘干；
(3)将步骤(2)中烘干后得到的纤维浸入到引发剂溶液中，取出，热处理，得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
所述步骤(1)中预处理的过程为：将超高分子量聚乙烯纤维浸入丙酮中1-5h以去除纤维表面的油剂及杂质，然后60℃烘干。
所述步骤(1)中的超高分子量聚乙烯纤维为市售，规格为200D～3000D。
所述步骤(2)中聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液的质量浓度为1％～30％；所述处理纤维所用聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液的温度为20℃～110℃。
所述步骤(2)中聚乙烯蜡-g-马来酸酐的接枝率为0.5％～15％。
所述步骤(2)中聚乙烯蜡-g-马来酸酐的生产方法包括溶液法和熔融挤出法。(本发明中使用的聚乙烯蜡-g-马来酸酐是实验室自制的，按一定配比将聚乙烯蜡、马来酸酐与引发剂溶于二甲苯后，加热到反应温度引发接枝后，抽虑烘干后得到。)
所述步骤(2)中预处理的超高分子量聚乙烯纤维浸入到整理液中的浴比为30:1～3:1。
所述步骤(2)中聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液是通过在加热和搅拌条件下，将聚乙烯蜡-g-马来酸溶于煤油制备而成的。
所述步骤(2)中浸轧处理的条件为：双浸双压，轧余率1％-5％。
所述步骤(3)中引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化氢或叔丁基过苯甲酸酯；引发剂溶液的质量浓度为0.1～2％。
所述步骤(3)中纤维浸入到引发剂溶液中的浴比为30:1～3:1。
所述步骤(3)中浸入的时间为3～10min。
所述步骤(3)中热处理为：100～120℃处理1～60min。
所述步骤(3)热处理过程中聚乙烯蜡-g-马来酸酐主链与超高分子量聚乙烯主链会发生一定的交联，从而在纤维表面引入功能基团。
有益效果
本发明的超高分子量聚乙烯纤维表面改性方法，融合了聚烯烃接枝改性和交联改性方法，为纤维改性提供了一种新的方法；本方法在改善纤维的表面性能的同时，也可进一步提升纤维的抗蠕变性，具有无毒、无副反应、气味小等优点，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中纤维改性前后红外光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
1)纤维预处理：将市售UHMWPE纤维(1500D)浸入丙酮中3h以去除纤维表面的油剂及杂质，然后60℃烘干；
2)纤维涂层处理：在加热和搅拌条件下，将聚乙烯蜡-g-马来酸酐(自制)逐渐溶于煤油溶剂中，制备成质量分数为20％的聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液，冷却至25℃备用。然后，将纤维在整理液中浸轧处理后，采用双浸双压，浴比为30:1，轧余率为5％，最后后60℃烘干后备用；
3)表面交联处理
将上一步处理的纤维浸入到质量分数为0.5％的BPO(过氧化苯甲酰)溶液中5min后取出，浴比为30:1。最后100℃加热处理30min，得到改性超高分子量聚乙烯纤维，红外光谱检测纤维表面后发现，在1714cm-1处出现马来酸酐的特征峰(如图1所示)，从而其表面性能得到改善。
实施例2
1)纤维预处理：将市售UHMWPE纤维(1500D)浸入丙酮中3h以去除纤维表面的油剂及杂质，然后在60℃下低温烘干；
2)纤维涂层处理：使用煤油作为溶剂，配置质量分数为5％的聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液，室温条件下，将纤维在整理液中浸轧处理后，采用双浸双压，浴比为30:1，轧余率为5％，最后60℃烘干后备用；
3)表面交联处理
将上一步处理的纤维浸入到质量分数为1％的BPO溶液中5min后取出，最后120℃加热处理2min。
实施例3
1)纤维预处理：将市售UHMWPE纤维(1500D)浸入丙酮中3h以去除纤维表面的油剂及杂质，然后60℃烘干；
2)纤维涂层处理：使用煤油作为溶剂，配置质量分数为20％的聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液，90℃条件下，将纤维在整理液中浸轧处理后，采用双浸双压，浴比为30:1，轧余率为5％，最后60℃烘干后备用；
3)表面交联处理
将上一步处理的纤维浸入到质量分数为0.5％的BPO溶液中5min后取出，最后120℃加热处理2min。
实施例4
1)纤维预处理：将市售UHMWPE纤维(1500D)浸入丙酮中3h以去除纤维表面的油剂及杂质，然后60℃烘干；
2)纤维涂层处理：使用煤油作为溶剂，配置质量分数为20％的聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液，室温条件下，将纤维在整理液中浸轧处理后，采用双浸双压，浴比为30:1，轧余率为5％，最后60℃烘干后备用；
3)表面交联处理
将上一步处理的纤维浸入到质量分数为0.5％的BPO溶液中5min后取出，最后120℃加热处理60min。
实施例5
1)纤维预处理：将市售UHMWPE纤维(1500D)浸入丙酮中3h以去除纤维表面的油剂及杂质，然后60℃烘干；
2)纤维涂层处理：使用煤油作为溶剂，配置质量分数为10％的聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液，室温条件下，将纤维在整理液中浸轧处理后，取出后烘干，采用双浸双压，浴比为30:1，轧余率为5％，最后60℃烘干后备用；
3)表面交联处理
将上一步处理的纤维浸入到质量分数为0.5％的BPO溶液中5min后取出，最后100℃加热处理30min。

Claims (10)

1.一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括：
(1)将超高分子量聚乙烯纤维进行预处理；
(2)以煤油为溶剂，配制聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液；然后将步骤(1)中预处理的超高分子量聚乙烯纤维浸入到整理液中，浸轧处理，烘干；
(3)将步骤(2)中烘干后得到的纤维浸入到引发剂溶液中，取出，热处理，得到改性超高分子量聚乙烯纤维。
2.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中预处理的过程为：将超高分子量聚乙烯纤维浸入丙酮中1～5h，然后60℃烘干。
3.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中聚乙烯蜡-g-马来酸酐整理液的质量浓度为1％～30％；整理液的温度为20℃～110℃。
4.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中聚乙烯蜡-g-马来酸酐的接枝率为0.5％～15％。
5.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中预处理的超高分子量聚乙烯纤维浸入到整理液中的浴比为30:1～3:1。
6.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中浸轧处理的条件为：双浸双压，轧余率1％-5％。
7.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化氢或叔丁基过苯甲酸酯；引发剂溶液的质量浓度为0.1～2％。
8.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中纤维浸入到引发剂溶液中的浴比为30:1～3:1。
9.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中浸入的时间为3～10min。
10.根据权利要求1所述的一种改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中热处理为：100～120℃处理1～60min。
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