CN109913974B - 一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维及其制备方法，该方法将硬质耐摩擦组份添加到低分子量的聚乙烯当中，通过低分子量聚乙烯的延展性增加因添加硬质组份的导致可纺性，再通过特殊的纺丝组件与含有酸化多壁碳纳米管的超高分子量聚乙烯纤维纺丝形成具有皮层占50~85%的同心实心圆结构的复合纤维。该纤维制成后具有导电和耐摩擦双重特性，其制成的防切割手套不仅能解决因触屏操作而反复穿戴的繁琐性也增加了超高分子量聚乙烯纤维的耐摩擦性，该方法可有效解决实际生产中，因添加硬质组份而导致的可纺性差问题，使超高分子量聚乙烯纤维品种多样化。

Description

一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维及 其制备方法

技术领域

本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维制备领域，尤其涉及一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维及其制备方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维是由长链亚甲基结构组成的高分子量聚乙烯经过干法或湿法纺丝而成，具有质量轻、比强度高、瞬时粘度增大等优点，目前广泛应用于航空航天领域、武器装备领域、安全防护领域、海事装备领域等，其中防切割手套是超高分子量聚乙烯纤维用在安全防护领域较多的一种，但由于纯聚乙烯纺制出来的纱线耐切割性能有限，为增加其防切割等级，在现阶段技术中，多在超高分子量聚乙烯纺丝配料阶段或在纺丝工艺中添加硬质组份，如专利CN104233497A所示是利用无机盐铝、硅、钛、硼、锆的氧化物、氮化物、碳化物的纳米超细颗粒等为添加物与超高分子量聚乙烯粉末混合后再纺丝。专利CN105734708A公布所示是将陶瓷纤维、碳纤维、碳化硅晶须添加到纺丝液中，以上方法虽都能提高工业手套的防切割等级，但在实际生产工艺中硬质纤维或纳米超细颗粒与有机纺丝溶剂存在不互溶性，且超高分子量聚乙烯的在实际生产中粘度大、纳米颗粒易团聚从而导致纤维的可纺性差，易产生断头、毛丝、缠辊现象，产量不易提升，生产成本增加。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的提供一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维及其制备方法，采用低分子量聚乙烯的延展性与硬质混合纤维共混，并通过特殊的纺丝工艺与超高分子量聚乙烯共纺形成具有带导电功能的防切割手套，该发明不仅很好的提升了工业手套的防切割等级也使工人在使用时可触屏操作，避免了因为反复穿戴手套的繁琐，其生产过程中毛丝现象少，可规模化生产。

本发明提供一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维，所述复合纤维的截面结构为同心圆型实心结构，是将皮层包覆在芯层外，所述皮层为超高分子量聚乙烯，所述芯层为低分子量聚乙烯。

进一步改进在于：所述皮层超高分子量聚乙烯所采用的是相对分子质量为400~600万的聚乙烯，其芯层低分子量聚乙烯所采用的是相对分子质量为50~200万的聚乙烯。

本发明还提供一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，所述制备方法采用皮芯型挤出方式湿法纺丝而成，皮层纺丝原液和芯层纺丝原液分别通过不同的螺杆挤压机一起进入复合纺丝箱体，在纺丝箱体中分别通过不同分隔元件和计量泵控制皮层和芯层重量比，其中皮层占复合纤维总重量的50~85%，并由同一个喷丝孔挤出经循环水冷却而形成初生冻胶复合丝条。

进一步改进在于：所述皮层纺丝原液是由超高分子量聚乙烯粉末和工业白油通过溶胀制得，制备方法包括以下步骤：

步骤一：皮层纺丝基液的制备：在搅拌状态下将定量超高分子量聚乙烯粉末添加到纺丝溶剂中，添加定量的抗氧化剂、乳化剂、钛白粉并升温搅拌0.5~1h制备成皮层纺丝基液；

步骤二：碳纳米管改性液制备：将酸化处理后的多壁碳纳米管放入工业白油中，配置成0.05~0.23wt%的多壁碳纳米管溶液，然后在50~70KHz超声条件下机械乳化；

步骤三： 制备皮层纺丝原液：将皮层纺丝基液和碳纳米管改性液通过不同的输送泵输送到皮层双螺杆挤压机中，其中基液与改性液的输送泵输出频率比设置为24~42:1，皮层纺丝原液的含固量为 7.5~10%。

进一步改进在于：所述芯层为低分子量聚乙烯纺丝原液，其通过以下步骤完成：

步骤一：将硬质混合超短纤维乳化分散在工业白油中得到混合液；

步骤二：将低分子量聚乙烯粉末、抗氧化剂、硬脂酸铝添加到工业白油中制备成芯层基液，其中低分子量聚乙烯的含固量占比为75~90wt%；

步骤三：将步骤一得到的混合液和步骤二得到的基液通过不同的输送泵送达芯层双螺杆挤压机中，并通过调节输送泵的频率使低分子量聚乙烯在芯层中的总含固量为70~90wt%。

进一步改进在于：所述复合纺丝箱体内设有1~4层过滤网，所述的多层过滤网孔径为50~500目。

进一步改进在于：所述步骤一中的硬质混合超短纤维为SiC纤维、玻璃纤维、聚芳酯纤维、氧化锆纤维中的一种或两种以上混合物，混合物经过200目~1000目筛网过筛后在高混机中混合，其混合纤维长度均约为20~186um。

进一步改进在于：所述步骤中的抗氧化剂、硬脂酸铝、钛白粉含量占聚乙烯总质量的0.3~0.45wt%。

进一步改进在于：所述步骤二中的多壁碳纳米管占聚乙烯总质量的0.001~0.04%。

进一步改进在于：所述硬质混合超短纤维占聚乙烯总质量的3~7%。

进一步改进在于：所述初生冻胶复合丝条经过预牵伸、萃取、干燥、三道热拉伸得到带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维。

所述复合纤维的制备方法步骤如下：

步骤一、皮层纺丝基液的制备：在搅拌状态下将定量超高分子量聚乙烯粉末添加到纺丝溶剂中，添加定量的抗氧化剂、乳化剂、钛白粉并升温搅拌0.5~1h制备成皮层纺丝基液，升温温度为60~100℃；

步骤二、碳纳米管改性液制备：将酸化处理后的多壁碳纳米管放入工业白油中，配置成0.05~0.23wt%的多壁碳纳米管溶液，然后在50~70KHz超声条件下机械乳化。

步骤三、皮层纺丝原液的制备：将皮层纺丝基液和碳纳米管改性液通过不同的输送泵输送到皮层双螺杆挤压机中，其中基液与改性液的输送泵输出频率比设置为24~42:1，皮层纺丝原液的含固量为

5.5~10%。

步骤四、硬质混合溶液的制备：将SiC纤维、玻璃纤维、聚芳酯纤维、氧化锆纤维中的一种或两种以上按照一定的比例添加到搅拌得工业白油中，开启乳化机并升温到30~80℃得到混合液

步骤五、芯层纺丝基液的制备：将低分子量聚乙烯粉末、抗氧化剂、硬脂酸铝添加到工业白油中制备成芯层基液，其中低分子量聚乙烯的含固量占比为75~90wt%。

步骤六、芯层纺丝原液的制备：将硬质混合溶液和芯层纺丝基液基液通过不同的输送泵送达芯层双螺杆挤压机中，并通过调节输送泵的频率使低分子量聚乙烯在芯层中的总含固量为70~90wt%。

步骤七、初生冻胶丝的制备；将皮层纺丝原液和芯层纺丝原液分别输送到不同长径比的双螺杆挤压机中，其中皮层双螺杆挤压机长径比为55~95，芯层双螺杆挤压机的长径比为12~35，皮层纺丝原液和芯层纺丝原液分别通过不同的螺杆挤压机一起进入复合纺丝箱体，在纺丝箱体中分别设有不同的分隔元件和计量泵控制皮层和芯层重量比，其中皮层占复合纤维总重量的50~85%，并由同一个喷丝孔挤出经循环水冷却而形成初生冻胶丝。

步骤八、复合纤维的制备：初生冻胶丝置于室温条件下经过24~72h的平衡后再预牵伸和萃取烘干得到初生纤维，初生纤维再热拉伸得到复合纤维。

进一步改进在于步骤一：具体为将定量矿物油400～800kg加温至50℃～60℃，按重量比矿物油：超高分子量聚乙烯的比例为5～20:1的比例加入超高分子量聚乙烯粉末，再加入微量抗氧剂80g～250g，乳化剂9.4g～23g， 形成超高分子量聚乙烯和矿物油的混合物；将得到的混合物料放到物料釜内进行升温搅拌，其中物料釜内的温度为100～120℃，升温时间为2～3个小时。

进一步改进在于步骤二：所述的酸化多壁碳纳米管按一定比例在超声状态下均匀分散在溶剂中，后经乳化机高速剪切搅拌，高速剪切的搅拌速度为2000~3500r/min，搅拌得时间为1.5~3h。

进一步改进在于：所述步骤四中的硬质纤维的切割长度都约为相同，且作为添加料前都经过筛网过筛。

本发明的有益效果：采用低分子量聚乙烯的延展性与硬质混合纤维共混，并通过特殊的纺丝工艺与超高分子量聚乙烯共纺形成具有带导电功能的防切割手套，该发明不仅很好的提升了工业手套的防切割等级也使工人在使用时可触屏操作，避免了因为反复穿戴手套的繁琐，其生产过程中毛丝现象少，可规模化生产。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例一

400D导电高耐切割超高分子量聚乙烯纤维的制备方法

a、皮层纺丝基液的制备：在搅拌状态下将定量超高分子量聚乙烯粉末添加到纺丝溶剂中，添加定量的抗氧化剂、乳化剂、钛白粉并升温搅拌1h制备成皮层纺丝基液，升温温度为80℃；

b、碳纳米管改性液制备：将酸化处理后的多壁碳纳米管放入工业白油中，配置成0.08wt%的多壁碳纳米管溶液，然后在70KHz超声条件下机械乳化。

c、皮层纺丝原液的制备：将皮层纺丝基液和碳纳米管改性液通过不同的输送泵输送到皮层双螺杆挤压机中，其中基液与改性液的输送泵输出频率比设置为32:1，皮层纺丝原液的含固量为6.5%。

d、硬质混合溶液的制备：将SiC纤维、玻璃纤维、聚芳酯纤维、氧化锆纤维中的一种或两种以上按照一定的比例添加到搅拌得工业白油中，开启乳化机并升温到70℃得到混合液

e、芯层纺丝基液的制备：将低分子量聚乙烯粉末、抗氧化剂、硬脂酸铝添加到工业白油中制备成芯层基液，其中低分子量聚乙烯占工业白油的含固量为75wt%。抗氧化剂占工业白油的含固量为0.3%，硬脂酸铝占工业白油的含固量为0.01%

f、芯层纺丝原液的制备：将硬质混合溶液和芯层纺丝基液基液通过不同的输送泵送达芯层双螺杆挤压机中，并通过调节输送泵的频率使低分子量聚乙烯在芯层中的总含固量为85wt%。

g、初生冻胶丝的制备；将皮层纺丝原液和芯层纺丝原液分别输送到不同长径比的双螺杆挤压机中，其中皮层双螺杆挤压机长径比为55~95，优选L/D为75，芯层双螺杆挤压机的长径比为12~35，优选L/D为25，皮层纺丝原液和芯层纺丝原液分别通过不同的螺杆挤压机一起进入复合纺丝箱体，通过不同的计量泵控制皮层和芯层的重量比达到纺丝箱体中的不同分隔元件，其中皮层占复合纤维总重量的75%，并由同一个喷丝孔挤出经循环水冷却而形成初生冻胶。

g、复合纤维的制备：初生冻胶丝置于室温条件下经过48h的平衡后通过内部应力收缩排除溶剂，再预牵伸和萃取烘干得到初生纤维，初生纤维再热拉伸得到复合纤维。其中后纺工艺没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。

实施例二

1600D导电高耐切割超高分子量聚乙烯纤维的制备方法

a、皮层纺丝基液的制备：在搅拌状态下将定量超高分子量聚乙烯粉末添加到纺丝溶剂中，添加定量的抗氧化剂、乳化剂、钛白粉并升温搅拌1h制备成皮层纺丝基液，升温温度为80℃；

b、碳纳米管改性液制备：将酸化处理后的多壁碳纳米管放入工业白油中，配置成0.08wt%的多壁碳纳米管溶液，然后在70KHz超声条件下机械乳化。

c、皮层纺丝原液的制备：将皮层纺丝基液和碳纳米管改性液通过不同的输送泵输送到皮层双螺杆挤压机中，其中基液与改性液的输送泵输出频率比设置为35:1，皮层纺丝原液的含固量为 7%。

d、硬质混合溶液的制备：将SiC纤维、玻璃纤维、聚芳酯纤维、氧化锆纤维中的一种或两种以上按照一定的比例添加到搅拌得工业白油中，开启乳化机并升温到80℃得到混合液

e、芯层纺丝基液的制备：将低分子量聚乙烯粉末、抗氧化剂、硬脂酸铝添加到工业白油中制备成芯层基液，其中低分子量聚乙烯的含固量占比为75~90wt%，抗氧化剂占工业白油的含固量为0.35%，硬脂酸铝占工业白油的含固量为0.02%。

f、芯层纺丝原液的制备：将硬质混合溶液和芯层纺丝基液基液通过不同的输送泵送达芯层双螺杆挤压机中，并通过调节输送泵的频率使低分子量聚乙烯在芯层中的总含固量为80wt%。

步骤七、初生冻胶丝的制备;将皮层纺丝原液和芯层纺丝原液分别输送到不同长径比的双螺杆挤压机中，其中皮层双螺杆挤压机长径比为55~95，优选L/D为80，芯层双螺杆挤压机的长径比为12~35，优选L/D为25，皮层纺丝原液和芯层纺丝原液分别通过不同的螺杆挤压机一起进入复合纺丝箱体，在纺丝箱体中分别设有不同的分隔元件和计量泵控制皮层和芯层重量比，其中皮层占复合纤维总重量的85%，并由同一个喷丝孔挤出经循环水冷却而形成初生冻胶。

g、复合纤维的制备：初生冻胶丝置于室温条件下经过48h的平衡后再预牵伸和萃取烘干得到初生纤维，初生纤维再热拉伸得到复合纤维。其中后纺工艺没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。

Claims (7)

1.一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维，其特征在于：所述复合纤维的截面结构为同心圆型实心结构，是将皮层包覆在芯层外，所述皮层为超高分子量聚乙烯，所述芯层为低分子量聚乙烯；所述皮层超高分子量聚乙烯所采用的是相对分子质量为400~600万的聚乙烯，其芯层低分子量聚乙烯所采用的是相对分子质量为50~200万的聚乙烯；

所述复合纤维制备方法采用皮芯型挤出方式湿法纺丝而成，皮层纺丝原液和芯层纺丝原液分别通过不同的螺杆挤压机一起进入复合纺丝箱体，在纺丝箱体中分别通过不同分隔元件和计量泵控制皮层和芯层重量比，其中皮层占复合纤维总重量的50~85%，并由同一个喷丝孔挤出经循环水冷却而形成初生冻胶复合丝条；

所述皮层纺丝原液是由超高分子量聚乙烯粉末和工业白油通过溶胀制得，皮层纺丝原液制备方法包括以下步骤：

步骤一：皮层纺丝基液的制备：在搅拌状态下将定量超高分子量聚乙烯粉末添加到纺丝溶剂中，添加定量的抗氧化剂、乳化剂、钛白粉并升温搅拌0.5~1h制备成皮层纺丝基液；

步骤二：碳纳米管改性液制备：将酸化处理后的多壁碳纳米管放入工业白油中，配置成0.05~0.23wt%的多壁碳纳米管溶液，然后在50~70KHz超声条件下机械乳化；

步骤三：制备皮层纺丝原液：将皮层纺丝基液和碳纳米管改性液通过不同的输送泵输送到皮层双螺杆挤压机中，其中基液与改性液的输送泵输出频率比设置为24~42:1，皮层纺丝原液的含固量为7.5~10%。

2.如权利要求1所述的一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维，其特征在于：所述芯层为低分子量聚乙烯纺丝原液，其通过以下步骤完成：

步骤一：将硬质混合超短纤维乳化分散在工业白油中得到混合液；

步骤二：将低分子量聚乙烯粉末、抗氧化剂、硬脂酸铝添加到工业白油中制备成芯层基液，其中低分子量聚乙烯的含固量占比为75~90wt%；

步骤三：将步骤一得到的混合液和步骤二得到的基液通过不同的输送泵送达芯层双螺杆挤压机中，并通过调节输送泵的频率使低分子量聚乙烯在芯层中的总含固量为70~90wt%。

3.如权利要求1所述的一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维，其特征在于：所述复合纺丝箱体内设有1~4层过滤网，所述过滤网孔径为50~ 500目。

4.如权利要求2所述的一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维，其特征在于：所述步骤一中的硬质混合超短纤维为SiC纤维、玻璃纤维、聚芳酯纤维、氧化锆纤维中的一种或两种以上混合物，混合物经过200目~1000目筛网过筛后在高混机中混合，其混合纤维长度均为20~186um。

5.如权利要求1所述的一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维，其特征在于：所述步骤二中的多壁碳纳米管占聚乙烯总质量的0.001~0.04%。

6.如权利要求2或4所述的一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维及其制备方法，其特征在于：所述硬质混合超短纤维占聚乙烯总质量的3~7%。

7.如权利要求1所述的一种带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维，其特征在于：所述初生冻胶复合丝条经过预牵伸、萃取、干燥、三道热拉伸得到带有导电功能的高耐切割超高分子量聚乙烯复合纤维。