CN109161978B - 一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法及其产品 - Google Patents

一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法及其产品 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法及其产品。本发明通过引入含有极性基团的改性PE、UHMWPE粉末、溶剂和萃取剂，得到表面粘结性提高且优异力学性能保持的UHMWPE纤维。该改性PE的一端为聚乙烯分子链，另一端为极性基团，PE段可与UHMWPE分子链发生缠结或参与结晶，从而保证其作为改性组分持久、牢固地存留在体系中，而极性基团与UHMWPE不相容从而倾向于迁出，从而导致其优先分布于纤维表面，实现提升纤维表面粘结性同时又保证纤维的高力学性能的目的。本发明优点：1、无需更改现有的加工设备；2、UHMWPE纤维优异力学性能保持；3、纤维表面粘结性提高。

Description

一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法及其 产品
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，属于高性能纤维技术领域。具体涉及一种表面含有极性基团的高粘结、高强度超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是继碳纤维、芳纶纤维后又一类高性能纤维。UHMWPE纤维具有高力学性能、耐紫外辐射、耐化学腐蚀、低介电常数、低摩擦系数等优异性能，在军事、航空、航天和运动器械等领域有着广泛的应用前景。但是，聚乙烯分子链化学惰性强，导致纤维与树脂间难以产生较强的相互作用力；其次，纤维表面能低，难以被树脂浸润。因此其与基体树脂之间无法通过化学键及机械啮合力增加界面粘结强度，受力时UHMWPE纤维很容易从基体中拔出，严重制约了其在复合材料领域中的应用。因此制备高表面极性的UHMWPE纤维，提高其与树脂基体的粘结性能，一直是近年来的研究热点。
表面极性增强UHMWPE纤维制备方法，可以分为两类：一、采用氧化处理、等离子处理、辐照与涂覆等表面处理方法在纤维表面引入极性基团；二、在制备UHMWPE纺丝时加入另一种含有极性基团的组分，通过复合纺丝得到。公开号为CN201110388139的中国发明专利公开了一种改性UHMWPE纤维的制备方法，即对UHMWPE纤维进行钴源或电子束辐照处理后接枝单体，可以得到粘结性能良好、与树脂基体界面结合牢固的UHMWPE纤维。但此方法需要使用钴源或电子束，难以实现大规模的工业化生产，且接枝率与纤维的力学性能难以兼得。公开号为CN201010170399的中国发明专利公开了一种UHMWPE纤维表面紫外辐照二步接枝法，即在经过紫外光预处理后的UHMWPE纤维表面产生自由基，多种单体在纤维表面发生自由基接枝反应。此方法大大提高UHMWPE纤维与基体的粘结性能，单丝拔出强度从改性前的8.16N增加到改性后23.18N，力学性能也没有很大的损失，但此方法步骤较为繁琐(经历多次接枝且需要后处理)，工业化前景渺茫。公开号为CN201010533593的中国发明专利公开了一种低能耗、低成本制备高强度、高延伸UHMWPE纤维的生产方法。该方法首先制备改性聚乙烯，然后将其加入超高分子量聚乙烯树脂均匀混合，经熔融纺丝成功制得改性的UHMWPE纤维。该纤维的力学强度仅为15cN/dtex～25cN/dtex，低于一般的UHMWPE纤维。公开号为CN200510025710的中国发明专利公开了一种提高UHMWPE纤维表面粘结性的方法，它将乙烯-其它单体共聚物与二甲苯制成复合萃取剂用于萃取UHMWPE冻胶纤维，使得极性高聚物存在于纤维的外表面，最终制成表面粘结性提高的UHMWPE纤维。这种方法操作简便，易于工业化，但是聚合物中的极性基团有限，限制了纤维表面极性基团的引入量，从而影响了纤维表面粘结性的提高。
对比以上的处理方法可知，现有的处理手段可以得到表面粘结性增强的UHMWPE纤维，但是存在处理手段繁琐、纤维力学性能影响较大等问题。因此，有必要研究一种简便易得、表面粘结性提升、力学性能优异的UHMWPE纤维制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在保证纤维力学性能的前提下，提供一种提高UHMWPE纤维表面粘结性的方法，用于制备UHMWPE纤维。该纤维具有良好的粘结性能，与树脂基体界面结合牢固。
本发明的第一个目的是提供一种表面粘结性提高的高强度UHMWPE纤维的制备方法，该方法的具体步骤是：
步骤1、冻胶原丝的制备：将含有极性基团的改性PE、UHMWPE粉末与溶剂混合，机械搅拌30～120min使得混合混匀，再经双螺杆挤出机挤出，依次经过喷丝组件(计量泵和喷丝板)纺丝，在水浴中冷却得到冻胶原丝；
所述的改性PE为末端含有极性基团PE，其分子式为
Figure BDA0001787350120000021
其中n为30～200000的自然数，
Figure BDA0001787350120000022
可以是
Figure BDA0001787350120000023
Figure BDA0001787350120000024
中的一种；
所述UHMWPE树脂的分子量为1000000～7000000g/mol，平均粒径D为5～80μm，且粒径分布为D±10μm之间；优选的，UHMWPE树脂的分子量为3000000～5000000g/mol，粒径D为10～50μm，且粒径分布为D±10μm之间；更优选的，UHMWPE树脂的分子量为3000000～4000000g/mol，粒径为10～30μm，且粒径分布为D±10μm之间；
加入改性PE质量占UHMWPE树脂质量的0.1～50％；优选的，改性PE质量占UHMWPE树脂质量的1～30％；更优选的，改性PE质量占UHMWPE树脂质量的1～10％；
所述UHMWPE纺丝原液的溶剂为室温下是液体的常用碳氢化合物；优选的，可以为氢化萘或烷烃系列；更优选的，可以为四氢化萘、十氢化萘、煤油、石蜡油或其中的一种或几种混合物；
所述UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的4～20wt％；优选的，所述UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的4～15wt％；更优选的，所述UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的4～10wt％；
所述UHMWPE粉末和改性PE在挤出机的挤出温度为150～190℃；优选的，挤出温度为160～180℃；更优选的，挤出温度为165～175℃；
所述UHMWPE粉末和改性PE在喷丝组件中的温度为170～210℃；优选的，在喷丝组件中的温度为180～200℃；更优选的，在喷丝组件中的温度为180～190℃；
步骤2、得到的冻胶原丝室温下静置后进行萃取、干燥、多级热牵伸得到表面改性的UHMWPE纤维；
所述萃取剂为易挥发的低级烷烃和卤代烃；优选的，所述萃取剂为己烷、庚烷、甲苯、一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳和溶剂汽油中的一种，更优选的，所述萃取剂为己烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳中的一种；
所述萃取时间为5～200min；优选的，萃取时间为5～150min；更优选的，萃取时间为5～60min；
所述萃取温度为20～80℃；优选的，萃取温度为20～60℃；更优选的，萃取温度为30～50℃。
本发明的第二个目的是提供上述方法制备得到的表面粘结性提高的高强度UHMWPE纤维。
所述的表面粘结性提高的高强度超高分子量聚乙烯纤维密度为0.94～0.98g/cm3，强度为15～45cN/dtex，断裂伸长率为5～20％，纤维与水的接触角为60～95°，对纤维截面进行EDX测试，其中纤维的截面可以是圆形也可以是其它不规则形状，以圆形(该圆形截面半径为r)为例，发现纤维圆形截面中心区域(以圆形截面中心为圆心，0.7r为半径的圆形区域)的硫元素S含量低于0.02wt％，纤维截面边缘(圆形截面中心起0.7r到r之间的环形区域)的S含量在0.05～5wt％。即由截面中心区域至边缘的硫元素S含量逐步递增。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为7～30cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度3～20Mpa。
该产品为改性PE与UHMWPE共混后经由冻胶纺丝得到，其中改性PE的PE分子链与UHMWPE分子链发生缠绕或参与结晶，而改性PE的极性基团游离至UHMWPE纤维的表面。其中PE分子链为
极性基团为
Figure BDA0001787350120000041
Figure BDA0001787350120000042
中的一种。
传统的制备表面粘结性提高的UHMWPE纤维工艺存在后处理工艺繁琐，生产成本增加、力学性能降低等问题。本发明通过引入含有极性基团的改性PE、UHMWPE粉末、溶剂和萃取剂，得到表面粘结性提高且优异力学性能保持的UHMWPE纤维。本发明选取了一系列表面含有极性基团的改性PE，该改性PE的一端为聚乙烯分子链，另一端为极性基团，其中的PE段可与UHMWPE分子链发生缠结或参与结晶，从而保证其作为改性组分持久、牢固地存留在体系中，而极性基团与UHMWPE不相容从而倾向于迁出，从而导致其优先分布于纤维表面，实现提升纤维表面粘结性同时又保证纤维的高力学性能的目的。
本发明中，改性PE的结构显得尤为重要，一方面，它的主体为PE分子链，这就保证了改性PE能够在搅拌时与UHMWPE实现良好的共混，从而保证了改性PE在冻胶原丝中的均匀分布；而在后处理工艺中，改性PE的PE分子链又能够与UHMWPE分子链发生缠结或参与结晶，保证了改性PE的稳定存在；另一方面，它的末端为极性基团，该极性基团由于与PE分子链的极性有较大差异而倾向于游离到纤维表面，而且在萃取过程中，萃取剂不仅将溶剂从纤维原丝中萃取出来，还可以提供一定的驱动力从而实现将极性基团迁移到纤维表面的结果。而UHMWPE颗粒的粒径及粒径分布也会对纤维的性能有所影响，当粒径过高时，不利于UHMNWPE分子链的充分溶胀，导致分散不均匀，影响纤维性能；粒径过低时也会降低纤维的力学性能；粒径分布过宽，使得UHMWPE颗粒不均匀，难以在溶剂中混合均匀，降低纤维性能。
UHMWPE粉末和改性PE经过螺杆挤出机的挤出温度和喷丝组件的温度也会影响产物的结构与性能，当温度过低时，UHMWPE粉末和改性PE无法形成均一的混合物，导致纤维的力学性能大幅降低；温度过高时，改性PE和UHMWPE分子链会发生降解，更重要的是，此时改性PE的黏度会大幅降低，经过喷丝组件挤出的时候，在剪切流场的作用下，低分子量的改性PE会更倾向于分布于纤维原丝的表面而不是与纤维中的UHMWPE分子链发生缠结，导致后续萃取时改性PE极易从纤维表面离开。改性PE含量也会影响纤维的结构与性能，当改性PE含量过低时，即使改性PE迁移到纤维表面，对纤维粘结性的提高也很有限，当改性PE含量过高时，大量的低分子量改性PE会残留在纤维内部，导致纤维产物的力学性能会有所降低。
此外，改性PE的分子量、极性基团与萃取剂的极性比选取都会对目标纤维的性能产生影响：(1)对于改性PE分子量来说，决定其分子量的主要是PE段的链长，当PE链过长时，即使另一端的极性基团倾向于迁出，但是由于PE链段的锚定作用，分子链无法移动，从而在纤维内部和外部均匀分布，这会导致纤维的力学性能降低。PE分子链过短时，其与UHMWPE分子链无法实现缠结或结晶，经过萃取处理后，改性PE会从纤维中脱离而残留在萃取剂中，最终无法实现增强表面极性的目的；(2)当极性基团极性远远弱于萃取剂时，萃取时改性PE跟随萃取剂从UHMWPE纤维中离开无法实现提升粘结性的目的。当极性基团极性远远高于萃取剂时，萃取剂不能够给极性基团提供足够的驱动力，使得改性PE均匀分布在纤维的内部和外部，降低力学性能。同样的，萃取温度、萃取时间也会对纤维的性能产生影响，当萃取温度过低、萃取时间过短时，改性PE分子链运动能力弱，极性基团难以从发生缠结的部位迁移到纤维表面；相反的，当萃取温度过高、萃取时间过长时，改性PE分子链运动能力显著提高，极性基团不仅解缠结，更离开了纤维外表面，导致纤维的粘结性不发生变化。
不难看出，上述技术方案的核心技术思想就是：加入一种特定结构的改性PE，使得其PE端固定在UHMWPE纤维表层分子链中，含有极性基团的一端在UHMWPE分子链外部，最终实现提升表面粘结性又保持纤维优异力学性能的目的。
综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下优点和积极效果：1、无需更改现有的加工设备；2、UHMWPE纤维优异力学性能保持；3、纤维表面粘结性提高。
总之，本发明通过将改性PE与UHMWPE原料共混，经由冻胶纺丝法制备得到表面粘结性提高且优异力学性能保持的UHMWPE纤维。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但实施例不限制本发明。
比较例1
将UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入石蜡油溶剂中，此时纺丝混合溶液中UHMWPE树脂粉末质量占比为10％，机械搅拌90min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为190℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为220℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为5min，萃取温度为30℃，萃取剂为己烷，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE纤维。
所述的UHMWPE纤维密度为0.96g/cm3，强度为40cN/dtex，断裂伸长率为8％，纤维与水的接触角为105°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.00wt％，纤维截面边缘的S含量为0.00wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为3cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度1MPa。
比较例2
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入四氢化萘溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的0.01％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的4％，机械搅拌30min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为200℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为220℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为5min，萃取温度为20℃，萃取剂为己烷，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.94g/cm3，强度为30cN/dtex，断裂伸长率为15％，纤维与水的接触角为100°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.01wt％，纤维截面边缘的S含量为0.015wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为6cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度2MPa。
比较例3
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入四氢化萘溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的51％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的4％，机械搅拌30min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为140℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为160℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为5min，萃取温度为20℃，萃取剂为己烷，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.94g/cm3，强度为12cN/dtex，断裂伸长率为4％，纤维与水的接触角为68°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为3.6wt％，纤维截面边缘的S含量为5.5wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为8cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度5MPa。
比较例4
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入煤油溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的25％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的12％，机械搅拌75min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为170℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为190℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为3min，萃取温度为10℃，萃取剂为甲苯，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.97g/cm3，强度为14cN/dtex，断裂伸长率为4％，纤维与水的接触角为78°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为2wt％，纤维截面边缘的S含量为2.5wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为19cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度12MPa。
比较例5
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入煤油溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的25％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的12％，机械搅拌75min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为170℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为190℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为240min，萃取温度为90℃，萃取剂为甲苯，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.97g/cm3，强度为35cN/dtex，断裂伸长率为12％，纤维与水的接触角为110°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.01wt％，纤维截面边缘的S含量为0.03wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为6cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度1MPa。
实施例1
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入四氢化萘溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的0.1％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的4％，机械搅拌30min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为150℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为170℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为5min，萃取温度为20℃，萃取剂为己烷，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.94g/cm3，强度为15cN/dtex，断裂伸长率为5％，纤维与水的接触角为60°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.01wt％，纤维截面边缘的S含量为0.05wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为7cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度3MPa。
实施例2
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入十氢化萘溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的50％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的20％，机械搅拌120min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为190℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为210℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为200min，萃取温度为80℃，萃取剂为庚烷，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.98g/cm3，强度为45cN/dtex，断裂伸长率为20％，纤维与水的接触角为95°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.02wt％，纤维截面边缘的S含量为5wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为30cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度20MPa。
实施例3
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入煤油溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的25％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的12％，机械搅拌75min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为170℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为190℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为100min，萃取温度为50℃，萃取剂为甲苯，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.97g/cm3，强度为30cN/dtex，断裂伸长率为12％，纤维与水的接触角为78°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.006wt％，纤维截面边缘的S含量为2.5wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为19cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度12MPa。
实施例4
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入石蜡油溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的1％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的15％，机械搅拌50min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为160℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为180℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为150min，萃取温度为60℃，萃取剂为一氯甲烷，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.96g/cm3，强度为35cN/dtex，断裂伸长率为8％，纤维与水的接触角为68°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.0018wt％，纤维截面边缘的S含量为1wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为17cN，界环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度8MPa。
实施例5
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入四氢化萘和十氢化萘混合溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的30％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的9％，机械搅拌60min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为180℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为200℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为75min，萃取温度为40℃，萃取剂为二氯甲烷，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.95g/cm，强度为22cN/dtex，断裂伸长率为15％，纤维与水的接触角为92°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.004wt％，纤维截面边缘的S含量为3wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为10cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度15MPa。
实施例6
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入煤油溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的15％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的10％，机械搅拌80min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为165℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为180℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为60min，萃取温度为50℃，萃取剂为氯仿，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.96g/cm3，强度为19cN/dtex，断裂伸长率为6％，纤维与水的接触角为70°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.007wt％，纤维截面边缘的S含量为4wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为25cN，界环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度9MPa。
实施例7
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入石蜡油溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的10％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的7％，机械搅拌90min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为175℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为190℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为30min，萃取温度为40℃，萃取剂为四氯化碳，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.97g/cm3，强度为30cN/dtex，断裂伸长率为13％，纤维与水的接触角为80°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.02wt％，纤维截面边缘的S含量为4.2wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为29cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度17MPa。
实施例8
将改性PE(相应结构见表2)和UHMWPE树脂粉末(相应参数见表1)加入四氢化萘溶剂中，混合溶液中改性PE质量占UHMWPE树脂质量的5％，且UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的8％，机械搅拌70min混合均匀；再经双螺杆挤出机挤出，此时螺杆挤出机温度为170℃，然后依次经过计量泵和喷丝板纺丝，该计量泵和喷丝板温度为185℃，在水浴中冷却得到冻胶原丝。
将得到的冻胶原丝在室温下静置后进行萃取，萃取时间为45min，萃取温度为40℃，萃取剂为汽油，然后依次进行干燥、多级热牵伸得到UHMWPE/改性PE复合纤维。
所述的UHMWPE/改性PE复合纤维密度为0.98g/cm3，强度为25cN/dtex，断裂伸长率为16％，纤维与水的接触角为91°，纤维截面进行EDX测试，发现纤维中心区域的硫元素S含量为0.001wt％，纤维截面边缘的S含量为3.6wt％。环氧树脂包埋测试单丝拔出力为13cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度19MPa。
Figure BDA0001787350120000121
Figure BDA0001787350120000131
Figure BDA0001787350120000141
表3实施例1～8中UHMWPE纤维性能数据
Figure BDA0001787350120000151
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、冻胶原丝的制备：将含有极性基团的改性PE、UHMWPE粉末与溶剂混合，机械搅拌30～120 min使得混合混匀，再经双螺杆挤出机挤出，依次经过喷丝组件纺丝，在水浴中冷却得到冻胶原丝；
所述的改性PE为末端含有极性基团PE，其分子式为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中n为30～200000的自然数，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
或
Figure DEST_PATH_IMAGE014
中的一种；
所述UHMWPE树脂的分子量为1000000～7000000 g/mol，平均粒径D为5～80 μm，且粒径分布为D±10μm之间；
步骤2、得到的冻胶原丝室温下静置后进行萃取、干燥、多级热牵伸得到表面改性的UHMWPE纤维；萃取剂为己烷、庚烷、甲苯、一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳和溶剂汽油中的一种，萃取时间为5～200min；萃取温度为20～80 ℃；
所述的表面粘结性提高的高强度超高分子量聚乙烯纤维密度为0.94～0.98 g/cm3，强度为15～45 cN/dtex，断裂伸长率为5～20 %，纤维与水的接触角为60～95°，对纤维截面进行EDX测试，由截面中心区域至边缘的硫元素S含量逐步递增；环氧树脂包埋测试单丝拔出力为7～30 cN，环氧树脂/改性纤维复合材料界面剪切强度3～20 Mpa；
改性PE的PE分子链与UHMWPE分子链发生缠绕或参与结晶，而改性PE的极性基团游离至UHMWPE纤维的表面。
2.如权利要求1所述的一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于改性PE质量占UHMWPE树脂质量的0.1～50 %。
3.如权利要求1所述的一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于所述UHMWPE纺丝原液的溶剂为室温下是液体的常用碳氢化合物。
4.如权利要求1所述的一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于所述UHMWPE粉末和改性PE质量之和占混合溶液总质量的4～20 wt%。
5.如权利要求1所述的一种高粘结、高强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于所述UHMWPE粉末和改性PE在挤出机的挤出温度为150～190 ℃；所述UHMWPE粉末和改性PE在喷丝组件中的温度为170～210 ℃。
6.一种表面粘结性提高的高强度UHMWPE纤维，采用如权利要求1-5任一所述的制备方法制备得到。
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Assignor: NINGBO INSTITUTE OF MATERIALS TECHNOLOGY & ENGINEERING, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2022330000667

Denomination of invention: Preparation method and product of a high adhesion, high strength UHMWPE fiber

Granted publication date: 20210611

License type: Common License

Record date: 20221121