CN114150393A - 一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维及其制备方法，该方法包含：步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂；步骤2，将UHMWPE材料研磨成粉体，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，搅拌后进行熔融挤出；步骤3，通过纺丝工艺，得到初生丝；步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。本发明还提供了该方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。本发明提供的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维及其制备方法，制备的纤维具有优异的强度、耐磨性以及抗紫外老化性能等，可应用于室内或室外电线电缆领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电线电缆的新式复合纤维及其制备方法，具体地，涉及一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维及其制备方法。
背景技术
石墨烯是从石墨中剥离出来的单层碳原子材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质，结构非常稳定，迄今为止研究者尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，碳原子之间的链接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品，几乎完全透明，却极为致密，不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法通过，导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料，化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。同时，石墨烯还具有抗紫外功能。
UHMWPE(Ultra-high molecular weight PE，超高分子量聚乙烯)纤维又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，其分子量在100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。超高分子量聚乙烯纤维在1994年突破关键性生产技术以来，现已经在国内形成多个超高分子量聚乙烯纤维产业化生产基地。当前，国产UHMWPE纤维已经在全世界占用举足轻重的地位。基于UHMWPE纤维的特性，进一步开发扩展其应用范围，对于加速发展我国的超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电线电缆的新式复合纤维及其制备方法，能够解决现有问题，该纤维具有优异的强度、耐磨性以及抗紫外老化性能等，可应用于室内室外电线电缆包覆线领域。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的方法包含：步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂；步骤2，将UHMWPE材料研磨成粉体，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，搅拌后进行熔融挤出；步骤3，通过纺丝工艺，得到初生丝；步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。
上述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤1的原料中，按质量百分比计包含UHMWPE材料84％～99％、石墨烯粉体0.1％～15％、改性剂0.1％～10％；采用的UHMWPE材料的分子量为300万～500万。
上述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的改性剂采用聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、硅烷偶联剂按质量比1：(1～2)：(3～5)均匀混合而得。
上述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤2中，将UHMWPE材料在球磨机中研磨成粉体，粉体粒径为100-300目，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，充分搅拌后放入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出。
上述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的熔融挤出，螺杆温度参数设置为：一区115～135℃，二区170～190℃，三区180～190℃，四区190～205℃，五区200～210℃，六区205℃～220℃；螺杆挤出压力为5～8MPa，螺杆转速为100～300r/min，下料温度为60～85℃。
上述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤3中，纺丝工艺是采用干湿法纺丝，纺丝速度为5～15m/s。
上述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤4中，纺丝凝固浴采用水溶液凝固法，凝固浴温度为50～65℃。
上述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤4中还采用热拉伸，将初生丝置于热水浴中，水浴温度为70～90℃，由牵伸机进行两级牵伸，牵伸倍数为2～3倍、5-8倍。
上述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤4中，烘干采用的温度为90～110℃。
本发明还提供了一种上述的方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。
本发明提供的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维及其制备方法具有以下优点：
本发明利用石墨烯具有的抗紫外功能，将其与UHMWPE纤维复合，可有效提高纤维抗紫外性能，提高纤维户外条件下的使用寿命。所开发的石墨烯超高分子量聚乙烯纤维具有很好的强度、耐磨性及抗紫外性能，可应用于室内室外电线电缆包覆线领域，为电线电缆提供一种保护层，提高电线电缆使用寿命。
本方法制备的电线电缆用高强耐磨UHMWPE复合纤维，工艺简单易操作，成本低廉，经济效益高，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其包含：步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂；步骤2，将UHMWPE材料，即：超高分子量聚乙烯纤维的原料母粒，研磨成粉体，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，搅拌后进行熔融挤出；步骤3，通过纺丝工艺，得到初生丝；步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。
优选地，步骤1的原料中按质量百分比计包含UHMWPE材料84％～99％、石墨烯粉体0.1％～15％、改性剂0.1％～10％；采用的UHMWPE材料的分子量为300万～500万。
改性剂采用聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮(PVP)、硅烷偶联剂按质量比1：(1～2)：(3～5)均匀混合而得。
步骤2中，将UHMWPE材料在球磨机中研磨成粉体，粉体粒径为100-300目，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，充分搅拌后放入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出。
熔融挤出，螺杆温度参数设置为：一区115～135℃，二区170～190℃，三区180～190℃，四区190～205℃，五区200～210℃，六区205℃～220℃；螺杆挤出压力为5～8MPa，螺杆转速为100～300r/min，下料温度为60～85℃。
步骤3中，纺丝工艺是采用干湿法纺丝，纺丝速度为5～15m/s。
步骤4中，纺丝凝固浴采用水溶液凝固法，凝固浴温度为50～65℃。
步骤4中还采用热拉伸，将初生丝置于热水浴中，水浴温度为70～90℃，由牵伸机进行两级牵伸，牵伸倍数为2～3倍、5-8倍。
步骤4中，烘干采用的温度为90～110℃。
本发明中采用的设备和其他工艺条件等均为本领域内技术人员所已知的。
本发明还提供了该方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。
下面结合实施例对本发明提供的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维及其制备方法做更进一步描述。
实施例1
一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂。
优选地，原料中按质量百分比计包含UHMWPE材料99％、石墨烯粉体0.1％、改性剂0.9％。
采用的UHMWPE材料的分子量为300万～500万。
改性剂采用聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、硅烷偶联剂按质量比1：1：3均匀混合而得。
步骤2，将UHMWPE材料在球磨机中研磨成粉体，粉体粒径为100-300目，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，充分搅拌后放入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出。
熔融挤出的螺杆温度参数设置为：一区115～135℃，二区170～190℃，三区180～190℃，四区190～205℃，五区200～210℃，六区205℃～220℃；螺杆挤出压力为5～8MPa，螺杆转速为100～300r/min，下料温度为60～85℃。
步骤3，通过纺丝工艺，采用干湿法纺丝，纺丝速度为5～15m/s，得到初生丝。
步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。
纺丝凝固浴采用水溶液凝固法，凝固浴温度为50～65℃。再采用热拉伸，将初生丝置于热水浴中，水浴温度为70～90℃，由牵伸机进行两级牵伸，牵伸倍数为2～3倍、5-8倍。
烘干采用的温度为90～110℃。
本实施例还提供了该方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。
实施例2
一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂。
优选地，原料中按质量百分比计包含UHMWPE材料98.9％、石墨烯粉体1％、改性剂0.1％。
采用的UHMWPE材料的分子量为300万～500万。
改性剂采用聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、硅烷偶联剂按质量比1：2：3均匀混合而得。
步骤2，将UHMWPE材料在球磨机中研磨成粉体，粉体粒径为100-300目，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，充分搅拌后放入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出。
熔融挤出的螺杆温度参数设置为：一区115～135℃，二区170～190℃，三区180～190℃，四区190～205℃，五区200～210℃，六区205℃～220℃；螺杆挤出压力为5～8MPa，螺杆转速为100～300r/min，下料温度为60～85℃。
步骤3，通过纺丝工艺，采用干湿法纺丝，纺丝速度为5～15m/s，得到初生丝。
步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。
纺丝凝固浴采用水溶液凝固法，凝固浴温度为50～65℃。再采用热拉伸，将初生丝置于热水浴中，水浴温度为70～90℃，由牵伸机进行两级牵伸，牵伸倍数为2～3倍、5-8倍。
烘干采用的温度为90～110℃。
本实施例还提供了该方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。
实施例3
一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂。
优选地，原料中按质量百分比计包含UHMWPE材料85％、石墨烯粉体5％、改性剂10％。
采用的UHMWPE材料的分子量为300万～500万。
改性剂采用聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、硅烷偶联剂按质量比1：1：4均匀混合而得。
步骤2，将UHMWPE材料在球磨机中研磨成粉体，粉体粒径为100-300目，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，充分搅拌后放入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出。
熔融挤出的螺杆温度参数设置为：一区115～135℃，二区170～190℃，三区180～190℃，四区190～205℃，五区200～210℃，六区205℃～220℃；螺杆挤出压力为5～8MPa，螺杆转速为100～300r/min，下料温度为60～85℃。
步骤3，通过纺丝工艺，采用干湿法纺丝，纺丝速度为5～15m/s，得到初生丝。
步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。
纺丝凝固浴采用水溶液凝固法，凝固浴温度为50～65℃。再采用热拉伸，将初生丝置于热水浴中，水浴温度为70～90℃，由牵伸机进行两级牵伸，牵伸倍数为2～3倍、5-8倍。
烘干采用的温度为90～110℃。
本实施例还提供了该方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。
实施例4
一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂。
优选地，原料中按质量百分比计包含UHMWPE材料86％、石墨烯粉体10％、改性剂4％。
采用的UHMWPE材料的分子量为300万～500万。
改性剂采用聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、硅烷偶联剂按质量比1：2：4均匀混合而得。
步骤2，将UHMWPE材料在球磨机中研磨成粉体，粉体粒径为100-300目，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，充分搅拌后放入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出。
熔融挤出的螺杆温度参数设置为：一区115～135℃，二区170～190℃，三区180～190℃，四区190～205℃，五区200～210℃，六区205℃～220℃；螺杆挤出压力为5～8MPa，螺杆转速为100～300r/min，下料温度为60～85℃。
步骤3，通过纺丝工艺，采用干湿法纺丝，纺丝速度为5～15m/s，得到初生丝。
步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。
纺丝凝固浴采用水溶液凝固法，凝固浴温度为50～65℃。再采用热拉伸，将初生丝置于热水浴中，水浴温度为70～90℃，由牵伸机进行两级牵伸，牵伸倍数为2～3倍、5-8倍。
烘干采用的温度为90～110℃。
本实施例还提供了该方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。
实施例5
一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂。
优选地，原料中按质量百分比计包含UHMWPE材料84％、石墨烯粉体15％、改性剂1％。
采用的UHMWPE材料的分子量为300万～500万。
改性剂采用聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、硅烷偶联剂按质量比1：2：5均匀混合而得。
步骤2，将UHMWPE材料在球磨机中研磨成粉体，粉体粒径为100-300目，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，充分搅拌后放入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出。
熔融挤出的螺杆温度参数设置为：一区115～135℃，二区170～190℃，三区180～190℃，四区190～205℃，五区200～210℃，六区205℃～220℃；螺杆挤出压力为5～8MPa，螺杆转速为100～300r/min，下料温度为60～85℃。
步骤3，通过纺丝工艺，采用干湿法纺丝，纺丝速度为5～15m/s，得到初生丝。
步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。
纺丝凝固浴采用水溶液凝固法，凝固浴温度为50～65℃。再采用热拉伸，将初生丝置于热水浴中，水浴温度为70～90℃，由牵伸机进行两级牵伸，牵伸倍数为2～3倍、5-8倍。
烘干采用的温度为90～110℃。
本实施例还提供了该方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。
对各实施例制备的高强耐磨复合纤维进行试验，其物理性能等数据结果如下表1所示。
表1.测试结果表。
| 编号 | 石墨烯含量wt％ | 改性剂含量wt％ | 纤维强度(GPa) |
| 实施例1 | 0.1 | 0.9 | 2.9 |
| 实施例2 | 1 | 0.1 | 4.0 |
| 实施例3 | 5 | 10 | 3.6 |
| 实施例4 | 10 | 4 | 3.3 |
| 实施例5 | 15 | 1 | 2.8 |
本发明提供的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维及其制备方法，是利用熔融纺丝技术制备一种电线电缆用高强耐磨聚乙烯复合纤维。该纤维具有优异的强度、耐磨性以及抗紫外老化性能等，可应用于室内或室外电线电缆包覆纱，增加电线电缆外皮强度、耐磨性及抗紫外性能，增加使用寿命，降低使用成本等。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的方法包含：
步骤1，按比例称取各原料；原料包含UHMWPE材料、石墨烯粉体、改性剂；
步骤2，将UHMWPE材料研磨成粉体，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，搅拌后进行熔融挤出；
步骤3，通过纺丝工艺，得到初生丝；
步骤4，进行纺丝凝固浴，最后通过烘干，得到高强耐磨复合丝，用于制作室内或室外的电线电缆包覆纱。
2.如权利要求1所述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤1的原料中，按质量百分比计包含UHMWPE材料84％～99％、石墨烯粉体0.1％～15％、改性剂0.1％～10％；采用的UHMWPE材料的分子量为300万～500万。
3.如权利要求2所述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的改性剂采用聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、硅烷偶联剂按质量比1：(1～2)：(3～5)均匀混合而得。
4.如权利要求1所述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，将UHMWPE材料在球磨机中研磨成粉体，粉体粒径为100-300目，然后将石墨烯粉体、改性剂与UHMWPE粉体混合，充分搅拌后放入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出。
5.如权利要求4所述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的熔融挤出，螺杆温度参数设置为：一区115～135℃，二区170～190℃，三区180～190℃，四区190～205℃，五区200～210℃，六区205℃～220℃；螺杆挤出压力为5～8MPa，螺杆转速为100～300r/min，下料温度为60～85℃。
6.如权利要求1所述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，纺丝工艺是采用干湿法纺丝，纺丝速度为5～15m/s。
7.如权利要求1所述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中，纺丝凝固浴采用水溶液凝固法，凝固浴温度为50～65℃。
8.如权利要求7所述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中还采用热拉伸，将初生丝置于热水浴中，水浴温度为70～90℃，由牵伸机进行两级牵伸，牵伸倍数为2～3倍、5-8倍。
9.如权利要求8所述的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中，烘干采用的温度为90～110℃。
10.一种如1～9中任意一项所述的方法制备的用于电线电缆的高强耐磨复合纤维。
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