CN106367967A - 提高uhmwpe界面结合强度的处理剂及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高分子量聚乙烯界面处理剂，主要由以下原料制得：以质量份数计，聚烯烃30‑50份，惰性溶剂100‑200份。处理方法包括如下步骤：将聚烯烃溶解于惰性溶剂得到处理剂，并将超高分子量聚乙烯纤维浸渍于所述处理剂中，浸渍1‑10h，取出后烘干，即可。本发明实施例的界面处理剂可以在纤维的表面形成坚韧的鞘膜结构包裹住纤维，从而将纤维与基体树脂结合在一起，提高制作的复合材料的界面结合强度。通过采用本发明经过界面处理的复合材料制备的防弹芯片，当受到弹丸冲击时，有利于冲击波的传播，纤维强度得到最大效率的发挥，从而切实提高了防弹芯片的防弹性能。

Description

提高UHMWPE界面结合强度的处理剂及其处理方法

技术领域

本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维界面预处理领域，具体而言，涉及一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂及处理方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)除了具有高强度、高模量的特点以外，还具有良好的耐化学腐蚀、比能量吸收高、电磁波透射率高、摩擦系数低、优良的耐冲击和抗切割性能，以及不吸水、与生物相容性好等特点，并且是所有高强高模纤维中相对密度最小的纤维。因此，UHMWPE纤维是制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲的极佳材料。但是由于UHMWPE纤维本身的高度结晶与高度取向，使得它的表面能极低，不易被树脂润湿，而且表面无任何活性官能团，也很难与制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲的基体树脂形成化学键合，降低了其复合材料的界面结合强度，这在很大程度上限制了UHMWPE纤维在复合材料中的应用，因此为了增强其界面结合程度，一般需要对超高分子量聚乙烯纤维进行界面处理。

现有技术中，一般是采用化学浸蚀法、等离子表面处理技术、辐射-诱导接枝法等界面处理方式对纤维进行界面预处理，但是这些方法在界面处理过程中需要使用大量的有害化学溶剂，操作条件也比较苛刻，操作过程复杂，界面处理后纤维的强度一般，并没有实现大幅度提高材料本身的物理性能的效果。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂，该处理剂一方面通过范德华力和氢键等作用力与纤维进行结合，一方面渗透到纤维中，在纤维单丝之间形成锚结构，通过在纤维的表面形成坚韧的鞘膜结构包裹住纤维。然后将经界面处理的纤维与基体树脂复合，通过鞘膜结构在两者之间形成桥，从而将纤维与基体树脂结合在一起，提高制作的复合材料的界面结合强度。通过采用本发明经过界面处理的复合材料制备的防弹芯片，当受到弹丸冲击时，有利于冲击波的传播，纤维强度得到最大效率的发挥，从而切实提高了防弹芯片的防弹性能，大大延长了防弹芯片的使用寿命，创造了一定的经济效益。

本发明第二目的在于提供一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法，该处理方法前后步骤衔接紧密，操作条件温和，而且具有方法简单易于操作，适于普及应用，值得大力推广等优点。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂，主要由以下原料制得：以质量份数计，聚烯烃30-50份，惰性溶剂100-200份。

现有技术中，由于超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量的特点，是制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲的极佳材料，但是在制作过程中由于UHMWPE纤维本身的高度结晶与高度取向，使得它的表面能极低，不易被树脂润湿，而且表面无任何活性官能团，很难与制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲所用的基体树脂形成化学键合，因此需要对超高分子量聚乙烯纤维进行界面处理，现有技术中界面 预处理的方式一般是采用化学浸蚀法、等离子表面处理技术、辐射-诱导接枝法等方式，但是这些方法本身存在诸多缺陷。

为了解决以上出现的技术问题，本发明提供了一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂主要以极性改性的聚烯烃与惰性溶剂作为主要原料，相当于采用惰性溶剂溶解经极性改性后的聚烯烃以形成具有一定浓度的极性改性的聚烯烃溶液来作为界面处理剂。

该界面处理剂的原料配方中，需要注意的是聚烯烃与惰性溶剂之间的配比，其中聚烯烃最好为经极性改性或部分极性改性的聚烯烃中的一种或几种，只有按照本发明的实施方案所揭示的极性改性的聚烯烃控制在30-50质量份，惰性溶剂控制在100-200质量份之间，才能保证极性改性的聚烯烃溶液的质量浓度处于一定的范围内，因为通过发明人大量实践发现处于这种浓度范围的界面处理剂对UHMWPE纤维的处理效果最好，因此在进行实际配料时要注意这两种主料的加量，一定要控制在适宜的范围内。极性改性的聚烯烃的用量更优为35-45份，例如还可以选择为36份、37份、38份、39份、40份、41份、42份、43份以及44份等。惰性溶剂的用量更优为120-180份之间，例如还可以选择为130份、140份、150份、160份、170份、175份等。所谓惰性溶剂是指非极性溶剂，这类溶剂既不进行质子自递反应，也不与溶质发生溶剂化作用，多是饱和烃类或苯等一类化合物，比如苯、四氯化碳、二氯甲烷等，非极性溶剂的介电常数一般很低，不能减弱电解质离子的引力，也不能与其它极性分子形成氢键，而非极性溶剂对非极性物质的溶解是由于溶质和溶剂分子间的范德华力作用的结果，溶剂分子内部产生的瞬时偶极。本发明用于与聚烯烃混配的溶剂必须选择惰性溶剂，而不能选择极性溶剂，因为如果采用极性溶剂可能会破坏整个界面处理剂的体系，使得界面处理剂起不到应有的界面处理效果，要知道整 个界面处理过程中实则为一个物理过程，并没有发生任何化学反应，如果不按照本发明的方案实施进行配方的选择，可能由于某些化学反应的发生直接对超高分子量聚乙烯纤维有损害，这样并没有提高纤维材料本身的性能还起到了适得其反的效果。本发明的惰性溶剂更优选择包括苯、甲苯、氯仿、二氯甲烷中的一种，通过大量实践发现这几种惰性溶剂的溶解效果最好，并且与聚烯烃协同作用界面处理的效果要比采用其他惰性溶剂有所提高。

值得注意的在于，本发明的原料配比均是发明人通过大量的创造性实验优化出的较优用量，只有在添加这些原料以及该原料配比前提下才能保证制备出的界面处理剂具有很好的界面处理效果，现有技术中一般的界面处理方法根本不适用于超高分子量聚乙烯纤维，本发明的配方尚属首创，并取得了良好的效果。

本发明综合了现有技术中所有的技术问题，严格挑选了处理剂的原料，并且严格控制了每个原料的添加量，而且每一个原料的加量相对多与少均是有一定考究的，最终实践出最优添加量使其更加合理，为后续制作该界面处理剂提供了可参照的配方以及具体用量，具有一定的参考价值。可见只有严格按照本发明的方案进行配料制备得到的用于纤维界面处理的界面处理剂才会具有本发明所描述的各方面性能，缺少任何一种原料或者其中任何一种原料不在本发明的要求用量范围内，均是无法实施本发明的方案达到本发明的发明目的的。

本发明实施例还提供了一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法，主要包括如下步骤：

将聚烯烃溶解于惰性溶剂得到处理剂，并将超高分子量聚乙烯纤维浸渍于所述处理剂中，浸渍1-10h，取出后烘干，即可。

本发明实施例的提高界面结合强度的处理方法非常简单，前后步骤衔接紧密，只需将聚烯烃溶解于惰性溶剂中形成具有一定浓度的处理剂，然后将超高分子量聚乙烯纤维浸渍于所述处理剂中，浸泡若干小时后，取出烘干以将纤维表面的溶剂彻底挥发干净后，此时在纤维表面会形成一层膜即鞘膜结构，经过这样的方法处理后的超高分子量聚乙烯纤维具有很好的强度等物理性能，进而提升了后续制成防弹装甲后的性能。

其中，浸渍的温度最好控制在30-50℃，优选35-45℃之间，如果温度太高可能会影响处理效果，浸渍的时间最好为2-6h之间，还有后续烘干的温度最好控制在80℃以上，优选90-115℃，烘干的时间最好控制在1-2h之间。从而能够实现将纤维表面的残留溶剂彻底挥发干净。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明开发了一种新型的提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂，配方简单，原料易得，通过各原料的协同增效作用制成的界面处理剂一方面通过范德华力和氢键等作用力与纤维进行结合，一方面渗透到纤维中，在纤维单丝之间形成锚结构，通过在纤维的表面形成坚韧的鞘膜结构包裹住纤维。然后将经界面处理的纤维与基体树脂复合，通过鞘膜结构在两者之间形成桥，从而将纤维与基体树脂结合在一起，提高制作的复合材料的界面结合强度。通过采用本发明经过界面处理的复合材料制备的防弹芯片，当受到弹丸冲击时，有利于冲击波的传播，纤维强度得到最大效率的发挥，从而切实提高了防弹芯片的防弹性能，大大延长了防弹芯片的使用寿命，创造了一定的经济效益；

(2)本发明的界面处理剂的配方虽然简单，但是现有技术中还没有任何记载采用本发明的特定原料与用量组配而成的纤维界面处理剂，本发明尚属首创，而且该界面处理剂应用广泛，尤其对于比较难处理的超高分子 量聚乙烯纤维具有很好的处理效果，当然其他纤维也同样适用，弥补了现有技术中一般的纤维界面处理方法比如化学浸蚀法、等离子表面处理技术、辐射-诱导接枝法等化学改性方法的缺陷；

(3)本发明的提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法本身具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和等优点，经过这样的方法处理后的超高分子量聚乙烯纤维与基体树脂之间具有很好的结合强度等物理性能，进而提升了后续制成防弹装甲后的性能。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

对超高分子量聚乙烯纤维进行界面改性处理方法如下：

1)处理剂的原料组成：极性改性的聚乙烯30kg，甲苯100kg；

2)将上述原料按照既定质量称量好，并将极性改性的聚乙烯与甲苯混合搅拌均匀，制成一定质量浓度的极性改性的聚烯烃溶液作为处理剂；

3)将待改性的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于处理剂中1h以上，浸渍后取出烘干，即完成整个改性处理过程。

实施例2

对超高分子量聚乙烯纤维进行界面改性处理方法如下：

1)处理剂的原料组成：部分极性改性的聚烯烃混合液50kg，苯200kg；

2)将上述原料按照既定质量称量好，并将部分极性改性的聚烯烃混合液与苯在100rpm速率下混合搅拌均匀，制成一定质量浓度的极性改性的聚烯烃溶液作为处理剂；

3)将待改性的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于处理剂中10h，浸渍后取出80℃以上烘干，即完成超高分子量聚乙烯纤维的整个改性处理过程，后续该改性后的纤维可以用来与基体树脂复合制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲。

实施例3

对超高分子量聚乙烯纤维进行界面改性处理方法如下：

1)处理剂的原料组成：极性改性的聚烯烃混合液35kg，苯、氯仿120kg；

2)将上述原料按照既定质量称量好，并将极性改性的聚烯烃混合液与苯在100rpm速率下混合搅拌均匀，制成一定质量浓度的聚烯烃溶液作为处理剂；

3)将待改性的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于处理剂中10h，浸渍的温度为30-50℃之间，浸渍后取出，控制温度90-115℃之间进行烘干1-2h以使得纤维表面的溶剂挥发干净，即完成超高分子量聚乙烯纤维的整个改性处理过程，后续该改性后的纤维可以用来与基体树脂复合制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲。

实施例4

对超高分子量聚乙烯纤维进行界面改性处理方法如下：

1)处理剂的原料组成：极性改性的聚烯烃混合液共45kg，苯、二氯甲烷180kg；

2)将上述原料按照既定质量称量好，并将极性改性的聚烯烃混合液与苯在100rpm速率下混合搅拌均匀，制成一定质量浓度的极性改性的聚烯烃 溶液作为处理剂；

3)将待改性的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于处理剂中8h，浸渍的温度为35-45℃之间，浸渍后取出，控制温度100-115℃之间进行烘干2h以使得纤维表面的溶剂挥发干净，即完成超高分子量聚乙烯纤维的整个改性处理过程，后续该改性后的纤维可以用来与基体树脂复合制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲。

实施例5

对超高分子量聚乙烯纤维进行界面改性处理方法如下：

1)处理剂的原料组成：极性改性的聚烯烃混合液共40kg，苯160kg；

2)将上述原料按照既定质量称量好，并将极性改性的聚烯烃混合液与苯在100rpm速率下混合搅拌均匀，制成一定质量浓度的极性改性的聚烯烃溶液作为处理剂；

3)将待改性的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于处理剂中2h，浸渍的温度为35-45℃之间，浸渍后取出，控制温度100-115℃之间进行烘干2h以使得纤维表面的溶剂挥发干净，即完成超高分子量聚乙烯纤维的整个改性处理过程，后续该改性后的纤维可以用来与基体树脂复合制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲。

实施例6

对超高分子量聚乙烯纤维进行界面改性处理方法如下：

1)界面处理剂的原料组成：极性改性的聚烯烃混合液共42kg，苯170kg；

2)将上述原料按照既定质量称量好，并将极性改性的聚烯烃混合液与苯在100rpm速率下混合搅拌均匀，制成一定质量浓度的极性改性的聚烯烃溶液作为处理剂；

3)将待改性的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于处理剂中6h，浸渍的温度 为35-45℃之间，浸渍后取出，控制温度100-115℃之间进行烘干2h以使得纤维表面的溶剂挥发干净，即完成超高分子量聚乙烯纤维的整个改性处理过程，后续该改性后的纤维可以用来与基体树脂复合制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔等防弹装甲。

实验例1

将经过本发明实施例1-4的界面处理方法处理过的超高分子量聚乙烯纤维与未经过任何处理的超高分子量聚乙烯纤维(比较例1)分别做成面密度为10kg/m²的防弹板，经过检测发现比较例1的V50值为450m/s，而实施例1-4的V50值为560-600m/s之间。

一般防弹防弹材料及装备防弹性能评价测试的方法主要有弹道极限速度法。弹道极限速度法包括极限穿透速度法和V50弹道极限法两种。V50弹道极限法是在弹体材质形貌和冲击角度等条件一定时，弹丸穿透给定靶板的概率为50％时的模拟破片或特定弹丸的平均着靶速度，较适用于以非金属材料为主的复合材料的防弹性能测试，而V50值越高说明极限穿透速度越大，值越大表明穿透该防弹板所用的速度要更高，因此可以详见值越大说明该防弹板的防弹性能越佳，从上述实验数据也可以看出经过改性后的超高分子量聚乙烯纤维制作成防弹板后具有很好的防弹性能，也更加适用于制作防弹装备。

本发明与现有技术相比，开发了一种新型的提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂，配方简单，原料易得，通过各原料的协同增效作用制成的界面处理剂一方面通过范德华力和氢键等作用力与纤维进行结合，一方面渗透到纤维中，在纤维单丝之间形成锚结构，通过在纤维的表面形成坚韧的鞘膜结构包裹住纤维。然后将经界面处理的纤维与基体树脂复合，通过鞘膜结构在两者之间形成桥，从而将纤维与基体树脂结合在一 起，提高制作的复合材料的界面结合强度。通过采用本发明经过界面处理的复合材料制备的防弹芯片，当受到弹丸冲击时，有利于冲击波的传播，纤维强度得到最大效率的发挥，从而切实提高了防弹芯片的防弹性能，大大延长了防弹芯片的使用寿命，创造了一定的经济效益。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂，其特征在于，主要由以下原料制得：聚烯烃30-50份，惰性溶剂100-200份。

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界面结合强度的处理剂，其特征在于，以质量份数计，聚烯烃35-45份，惰性溶剂120-180份。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂，其特征在于，所述聚烯烃为经极性改性或部分极性改性的聚烯烃中的一种或几种。

4.根据权利要求1或2所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理剂，其特征在于，所述惰性溶剂包括苯、甲苯、氯仿、二氯甲烷中的一种。

5.一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

将聚烯烃溶解于惰性溶剂得到处理剂，并将超高分子量聚乙烯纤维浸渍于所述处理剂中，浸渍1-10h，取出后烘干，即可。

6.根据权利要求5所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法，其特征在于，浸渍的温度控制在30-50℃，浸渍的时间控制在2-6h。

7.根据权利要求6所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法，其特征在于，浸渍的温度控制在35-45℃之间。

8.根据权利要求5所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法，其特征在于，烘干的温度控制在80℃以上，优选90-115℃。

9.根据权利要求8所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法，其特征在于，烘干的温度控制在90-115℃之间。

10.根据权利要求5所述的一种提高超高分子量聚乙烯纤维界面结合强度的处理方法，其特征在于，烘干的时间控制在1-2h之间。