CN107558170A - 一种阻燃uhmwpe纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能纤维制备技术领域，特别涉及一种阻燃超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，将超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）的表面除杂、将超高分子量聚乙烯纤维的活化预处理、将活化后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在阻燃工作液中，采用三浸三压的方法对纤维进行处理，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h。本发明方法制备的阻燃超高分子量聚乙烯纤维，极限氧指数（LOI）从未处理前的17.2（易燃）提高到24以上（阻燃）。

Description

一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法

技术领域

本发明属于功能纤维制备技术领域，特别涉及一种阻燃超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)作为当今世界上比强度和比模量最高的纤维，具有“轻薄如纸、坚硬如钢”的优异特性，其弹道防护性能超过了以“Kavlar”为代表的芳族聚酰胺纤维，是目前制造防弹衣、防弹头盔等防护装备的主要材料。但UHMWPE纤维的缺陷是阻燃性差，极限氧指数极低，仅为17，属于易燃纤维，这极大地限制了其在很多领域的应用。

超高分子质量聚乙烯（UHMWPE）纤维的主链是线型长链亚甲基，结构对称，易结晶取向。该结构使其具有不吸水、高的拉伸强度、强的耐冲击性能、良好的自身润滑性、优异的耐磨性、不黏性，以及耐化学药品性能，但同时由于其高度化学惰性，表面极其光滑，使得其改性成为本领域的重大难题。

目前对超高分子量聚乙烯纤维阻燃改性主要通过生产阻燃纤维或对纤维进行后整理。但国内UHMWPE纤维生产起步较晚，有关阻燃超高分子量聚乙烯纤维阻燃的专利或文献报道极少。

专利CN 105133324A用超高分子量聚乙烯和无机微粒助剂采用冻胶纺丝法制成的超高分子量聚乙烯纤维，并在纤维上喷涂乳胶涂层后制成织带，最后上阻燃液涂层制成了阻燃超高分子量聚乙烯织带。

专利CN 106087445A提供了一种阻燃超高分子量聚乙烯织物及其制备方法，首先将超高分子量聚乙烯织物在质量为20-30％的阻燃剂溶液中二浸二轧，轧液率70％，然后在60℃将织物烘干；再利用质量为10％-20％的聚偏氟乙烯溶液对织物表面进行涂层，在将涂层织物烘干后即制得阻燃超高分子量聚乙烯纤维织物。

文献“超高分子量聚乙烯纤维的浸压阻燃整理”首先用间苯二酚双 (二苯基磷酸酯)（RDP），甲基膦酸二甲酯DMMP，丙酮和硫脲配置了阻燃工作液，然后用二浸二压的方法得到阻燃超高分子量聚乙烯纤维。

上述的各类方法中，采用冻胶纺丝法制备超高分子量聚乙烯纤维对生产设备的要求较高，并且直接在超高分子量聚乙烯切片中添加无机物会损害纤维本身的物化性能。而直接通过涂层、浸压等后整理方法对纤维和织物进行阻燃整理的普遍缺陷就是耐久性差，阻燃效率低，且往往会损害纤维或织物本身的手感和物化性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有的超高分子量聚乙烯纤维阻燃改性的不足，提供一种简单实用的阻燃超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。

超高分子量聚乙烯纤维表面化学惰性极高，因此要获得较好的阻燃整理效果，必须要解决两大问题：一是必须通过有效的表面预处理，实现对超高分子量聚乙烯纤维表面的活化；二是必须寻求合适的阻燃剂，在满足适用、环保、不损害纤维本身物化性能的前提下提高阻燃效率，最终制备出能够满足环保和实际使用需求的阻燃超高分子量聚乙烯纤维。

本发明所采用的技术方案是：一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，按照如下的步骤进行

步骤一、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）的表面除杂：将分子质量大于等于100万，纱线细度小于等于1000D的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在无水乙醇或丙酮中，40℃下超声处理0.5~1h后自然晾干；

步骤二、 超高分子量聚乙烯纤维的活化预处理：将经过步骤一处理的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在活化液中，常温下机械搅拌3~4h，搅拌转速为150r/min，搅拌完毕后再继续浸泡3~4h，取出后沥干纤维上的液体；

步骤三、将活化后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在阻燃工作液中，采用三浸三压的方法对纤维进行处理，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h。

作为一种优选方式：步骤二中的活化液为钛酸四丁酯和亚磷酸酸三苯酯的均匀混合液，其中，钛酸四丁酯的质量为超高分子量聚乙烯纤维质量的3%~5%，亚磷酸酸三苯酯的用量为钛酸四丁酯和亚磷酸酸三苯酯的均匀混合液刚好浸没超高分子量聚乙烯纤维。

作为一种优选方式：步骤三中阻燃工作液的配置为，将阻燃剂均匀分散于聚乙二醇400中，再加入适量钛酸四丁酯，常温下搅拌0.5h，搅拌转速为300r/min，获得黑色悬浊的阻燃工作液。

作为一种优选方式：阻燃剂为由碳微球(CMSs)和氢氧化镁(MH)构成的复合型阻燃剂（MH@CMSs），该阻燃剂为灰色颗粒，氢氧化镁包覆在碳微球表面，粒度为800nm， 碳微球与氢氧化镁的质量比为4:1，阻燃剂的质量占聚乙二醇质量的2%~6%，钛酸四丁酯的用量为阻燃剂质量的0.5%~1%。

作为一种优选方式：阻燃剂的质量占聚乙二醇质量的2%~4%。

作为一种优选方式：步骤三中三次浸泡阻燃液的时间分别为10~12h、1~2h、40~60min，三次压辊压力均为0.1MPa。

作为一种优选方式：将经过步骤三处理的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在钛酸四丁酯中2-4h，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h。通过钛酸四丁酯对超高分子量聚乙烯纤维进行定性使得表面柔性和亮度得到提高，相比不采用本步骤，肉眼能够看出明显差异。

本发明的有益效果是：本发明避免了目前超高分子量聚乙烯纤维阻燃改性方法的弊端，首先对纤维进行改性除杂和活化，克服了超高分子量聚乙烯纤维表面惰性高、不易处理的缺陷，保证了阻燃改性的有效进行；采用钛酸四丁酯和亚磷酸酸三苯酯的混合液作为活化液，不仅能有效提高超高分子量聚乙烯纤维的表面活性和粘附性，还能提高超高分子量聚乙烯纤维的耐热性，提升阻燃效果，利用亚磷酸酸三苯酯中的阻燃磷元素和无机阻燃剂形成协同作用，最终提高阻燃效率。其次，采用无机阻燃剂- MH@CMSs、偶联剂-钛酸四丁酯和分散剂-聚乙二醇400配置阻燃液，具有性质稳定，粘附性强，无毒无害、阻燃效率高的优点能有效的粘附于超高分子量聚乙烯纤维表面并发挥阻燃效果；另外，制备工艺简单，整个过程对环境友好无危害。

以本发明方法制备的阻燃超高分子量聚乙烯纤维，极限氧指数（LOI）从未处理前的17.2（易燃）提高到24以上（阻燃），且该处理方法对纤维的其他原有性能基本没有影响，是一种性能优良的阻燃纤维，能够满足环保和实际使用的需求，本发明的原料为未经过编织的超高分子量聚乙烯纤维。

附图说明

图1未处理的超高分子量聚乙烯纤维的扫描电镜图；

图2实施例1中超高分子量聚乙烯纤维的扫描电镜图；

图3实施例2中超高分子量聚乙烯纤维的扫描电镜图；

图4实施例3中超高分子量聚乙烯纤维的扫描电镜图。

具体实施方式

下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1：

超高分子量聚乙烯纤维的表面除杂：将超高分子量聚乙烯纤维浸泡在无水乙醇中，40℃下超声处理1h后自然晾干；

超高分子量聚乙烯纤维的活化预处理：将除杂后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在由钛酸四丁酯和亚磷酸酸三苯酯混合配置成的活化液中，其中钛酸四丁酯的质量为纤维质量的5%；先在常温下机械搅拌3h，搅拌转速为150r/min，搅拌完毕后再继续浸泡4h，取出后沥干纤维上的液体待用；

阻燃液的配置：将阻燃剂MH@CMSs均匀分散于聚乙二醇400中，其中，阻燃剂的质量应占聚乙二醇质量的2%，再加入占阻燃剂质量1%的钛酸四丁酯作为偶联剂，常温下搅拌0.5h，搅拌转速为300r/min，即得的阻燃工作液；

阻燃超高分子量聚乙烯纤维的制备：将活化后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在阻燃工作液中，采用三浸三压的方法对纤维进行处理，三次浸泡阻燃液的时间分别为12h、1h、40min，三次压辊压力均为0.1Mpa，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h；

上述方法制备的阻燃超高分子量聚乙烯纤维（见图2），极限氧指数为24.3，能达到阻燃级别。

实施例2：

超高分子量聚乙烯纤维的表面除杂：将超高分子量聚乙烯纤维浸泡在丙酮中，40℃下超声处理1h后自然晾干；

超高分子量聚乙烯纤维的活化预处理：将除杂后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在由钛酸四丁酯和亚磷酸酸三苯酯混合配置成的活化液中，其中钛酸四丁酯的质量为纤维质量的5%；先在常温下机械搅拌3h，搅拌转速为150r/min，搅拌完毕后再继续浸泡3h，取出后沥干纤维上的液体待用；

阻燃液的配置：将阻燃剂MH@CMSs均匀分散于聚乙二醇400中，其中，阻燃剂的质量应占聚乙二醇质量的4%，再加入占阻燃剂质量1%的钛酸四丁酯作为偶联剂，常温下搅拌0.5h，搅拌转速为300r/min，即得的阻燃工作液；

阻燃超高分子量聚乙烯纤维的制备：将活化后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在阻燃工作液中，采用三浸三压的方法对纤维进行处理，三次浸泡阻燃液的时间分别为10h,2h,40min，三次压辊压力均为0.1Mpa，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h；

上述方法制备的阻燃超高分子量聚乙烯纤维（见图3），极限氧指数为24.1，能达到阻燃级别。

实施例3：

超高分子量聚乙烯纤维的表面除杂：将超高分子量聚乙烯纤维浸泡在无水乙醇中，40℃下超声处理1h后自然晾干；

超高分子量聚乙烯纤维的活化预处理：将除杂后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在由钛酸四丁酯和亚磷酸酸三苯酯混合配置成的活化液中，其中钛酸四丁酯的质量为纤维质量的5%；先在常温下机械搅拌4h，搅拌转速为150r/min，搅拌完毕后再继续浸泡4h，取出后沥干纤维上的液体待用；

阻燃液的配置：将阻燃剂MH@CMSs均匀分散于聚乙二醇400中，其中，阻燃剂的质量应占聚乙二醇质量的6%，再加入占阻燃剂质量1%的钛酸四丁酯作为偶联剂，常温下搅拌0.5h，搅拌转速为300r/min，即得的阻燃工作液；

阻燃超高分子量聚乙烯纤维的制备：将活化后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在阻燃工作液中，采用三浸三压的方法对纤维进行处理，三次浸泡阻燃液的时间分别为11h,2h,60min，三次压辊压力均为0.1Mpa，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h；

将烘干过的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在钛酸四丁酯中2-4h，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h。通过钛酸四丁酯对超高分子量聚乙烯纤维进行定性使得表面柔性和亮度得到提高，相比不采用本步骤，肉眼能够看出明显差异。

上述方法制备的阻燃超高分子量聚乙烯纤维（见图4），极限氧指数为24.7，能达到阻燃级别，并且柔性和亮度得到显著的提高。

Claims (7)

1.一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，其特征在于：按照如下的步骤进行

步骤一、超高分子量聚乙烯纤维的表面除杂：将分子质量大于等于100万，纱线细度小于等于1000D的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在无水乙醇或丙酮中，40℃下超声处理0.5~1h后自然晾干；

步骤二、 超高分子量聚乙烯纤维的活化预处理：将经过步骤一处理的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在活化液中，常温下机械搅拌3~4h，搅拌转速为150r/min，搅拌完毕后再继续浸泡3~4h，取出后沥干纤维上的液体；

步骤三、将活化后的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在阻燃工作液中，采用三浸三压的方法对纤维进行处理，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h。

2.根据权利要求1所述的一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，其特征在于：步骤二中的活化液为钛酸四丁酯和亚磷酸酸三苯酯的均匀混合液，其中，钛酸四丁酯的质量为超高分子量聚乙烯纤维质量的3%~5%，亚磷酸酸三苯酯的用量为钛酸四丁酯和亚磷酸酸三苯酯的均匀混合液刚好浸没超高分子量聚乙烯纤维。

3.根据权利要求1所述的一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，其特征在于：步骤三中阻燃工作液的配置为，将阻燃剂均匀分散于聚乙二醇400中，再加入适量钛酸四丁酯，常温下搅拌0.5h，搅拌转速为300r/min，获得黑色悬浊的阻燃工作液。

4.根据权利要求3所述的一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，其特征在于：阻燃剂为由碳微球和氢氧化镁构成的复合型阻燃剂，该阻燃剂为灰色颗粒，氢氧化镁包覆在碳微球表面，粒度为800nm， 碳微球与氢氧化镁的质量比为4:1，阻燃剂的质量占聚乙二醇质量的2%~6%，钛酸四丁酯的用量为阻燃剂质量的0.5%~1%。

5.根据权利要求4所述的一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，其特征在于：阻燃剂的质量占聚乙二醇质量的2%~4%。

6.根据权利要求1所述的一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，其特征在于：步骤三中三次浸泡阻燃液的时间分别为10~12h、1~2h、40~60min，三次压辊压力均为0.1MPa。

7.根据权利要求1所述的一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，其特征在于：将经过步骤三处理的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在钛酸四丁酯中2-4h，最后将处理好的纤维于80℃下烘干72h。