CN114318858B - 一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，属于涂料的涂覆领域，本发明首先对超高分子量聚乙烯无纬布进行预处理，然后将预处理后的无纬布浸渍STF溶液，将放入STF溶液与TA溶液的混合溶液中进行水热反应，制得二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布。本发明简单、环保，首次采用水热法制备出可应用于轻质防护装备领域的涂覆均匀的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布，与单纯浸渍法相比，SiO2涂覆无纬布的均匀性更好，有利于实现高性能纤维织物防护装备的轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及涂料的涂覆领域，具体涉及一种二氧化硅超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是一种高性能特种纤维，纤维的轴向拉伸比强度是目前产业化中强度最高的纤维之一，其能量吸收性能优于芳纶纤维，具有耐化学腐蚀、耐紫外线、介电常数低、抗冲击和抗切割等优异性能，因此，UHMWPE纤维广泛应用于个体防护领域，成为制备轻质防护装备(防刺和防割)的理想材料。
剪切增稠液体(STF)是由分散相粒子和分散介质组成，是一种非牛顿力学行为可逆流体，在平衡状态下，表现为分散胶体形式；而在高速剪切力作用时，其粘度急剧增加，表现出固体行为。由于STF的这种特性，会给生产带来负面影响，如破坏生产设备、导致粒子团聚等。但是，近来有关研究表明，利用STF的这种特性，将其用于浸渗高性能防护材料时，在不改变材料性能的情况下，可显著提高防护装甲的舒适性，并进一步减轻装甲质量。
现有研究中，STF大多采用纳米SiO2作为分散相粒子，聚乙二醇(PEG)作为分散介质，STF与超高分子量聚乙烯无纬布的复合是通过浸渍处理的方法，即向STF中加入一定比例的乙醇进行稀释，然后将织物浸渍在其中处理，后经过烘干制成STF/超高分子量聚乙烯无纬布。超高分子量聚乙烯纤维的浸润性很差，而且SiO2容易出现团聚现象，通过浸渍法不能保证SiO2在超高分子量聚乙烯无纬布上分布的均匀性，而这严重影响STF/超高分子量聚乙烯无纬布的力学性能。为了进一步提高SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的力学性能，需要改善SiO2涂覆在超高分子量聚乙烯无纬布上的均匀性，因此研究出一种涂覆均匀的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法是很重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化硅超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，以克服现有技术存在的问题，本发明能够提高超高分子量聚乙烯纤维与树脂基体的界面结合，实现SiO2与超高分子量聚乙烯无纬布的均匀结合，且工艺简单、安全可靠、成本低廉，适合连续规模化生产。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，包括以下步骤：
1)向PEG200中一边加入SiO2粉末一边搅拌，SiO2粉末添加完成后继续搅拌均匀，然后在真空干燥条件下脱泡，制得STF；
2)将超高分子量聚乙烯无纬布分别在丙酮溶液和乙醇溶液中先后超声处理，然后用去离子冲洗若干次并烘干，得到预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布；
3)利用步骤1)得到的STF配制STF溶液，将预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布置于STF溶液中浸渍，然后取出真空干燥；
4)将步骤3)得到的超高分子量聚乙烯无纬布置于STF/TA混合溶液中，然后在密闭恒温条件下进行水热反应，反应结束后用蒸馏水冲洗若干次并烘干，得到SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布；
其中，所述STF/TA混合溶液由STF溶液和TA混合液配制得到，所述TA混合液由TA和NaCl的混合溶液经pH调节得到。
进一步地，所述步骤1)中SiO2粉末的粒径为7-40nm，步骤1)得到的STF中SiO2固含量为15％。
进一步地，所述步骤1)中真空干燥条件下脱泡的温度为80℃，时间为24h。
进一步地，所述步骤2)中烘干温度为80℃，时间为1h。
进一步地，所述STF溶液由体积比为1：1的STF和无水乙醇混合组成。
进一步地，所述步骤3)中浸渍时间为15min，真空干燥温度为80℃，时间为6h。
进一步地，所述步骤3)中TA和NaCl的混合溶液中TA的浓度为2mg/mL，NaCl的浓度为10mg/mL。
进一步地，所述TA和NaCl的混合溶液采用三羟甲基氨基甲烷将pH调节到8.5，得到TA混合液。
进一步地，所述STF/TA混合溶液中STF溶液和TA混合液的体积比为2:1。
进一步地，所述步骤4)中水热反应的温度为75℃，时间为1-5h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1)本发明由于在STF溶液加入了TA混合液，而TA混合溶液可使超高分子量聚乙烯无纬布表面变得粗糙，另外在密闭恒温的条件下更有利于SiO2的涂覆，所以实现了涂覆均匀的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的制备，为高性能纤维织物与STF的复合提供了一种新的途径。
2)本发明工艺路线新颖、所需设备简单、安全可靠、经济适用、对环境友好，适合规模化生产。
3)与现有的浸渍法处理超高分子量聚乙烯无纬布相比，SiO2对超高分子量聚乙烯无纬布的涂覆更为均匀，解决了浸渍法的浸渍不均匀的缺点。
4)与单纯的浸渍法制备SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布相比，水热法制备的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布表面涂覆的SiO2更均匀，最佳的水热条件是：反应时间为1h，反应温度为75℃。本发明简单、环保，首次采用水热法制备出可应用于轻质防护装备领域的涂覆均匀的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布，与单纯浸渍法相比，SiO2涂覆无纬布的均匀性更好，有利于实现高性能纤维织物防护装备的轻量化。
附图说明
图1为本发明的制备方法的工艺路线图；
图2为对比例制备的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的FE-SEM图，其中，(a)为低倍率，(b)为高倍率；
图3为实施例1制备的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的FE-SEM图，其中，(a)为低倍率，(b)为高倍率；
图4为实施例1制备的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的EDS谱图，其中，(a)为SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的高倍FE-SEM图，(b)为导电膜衬底的O元素，(c)为导电膜衬底的Si元素，(d)是为增加样品导电性而喷的导电膜所含的Pt元素，(e)是整个扫描面中各个元素的含量图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步描述。
一种涂覆均匀的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，参见图1，预先对超高分子量聚乙烯无纬布进行处理并浸渍STF溶液，然后将其放入STF/TA混合溶液中进行密闭水热反应，制得SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布。
本发明中所制得的STF是由机械搅拌法和真空脱泡处理制得的，STF的SiO2固含量为15％，STF溶液是由上述STF与无水乙醇以1:1的体积比例混合所得，SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的形貌和元素分布用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)进行表征。
具体包括如下步骤：
1)将PEG200放置于烧杯中，向其中一边加入SiO2粉末一边搅拌，加完一定量的SiO2后再搅拌2h，并将其放入真空干燥箱中真空脱泡，制得STF；其中，SiO2的粒径为7-40nm，SiO2固含量为15％，真空脱泡的温度为80℃，时间为24h；
2)对超高分子量聚乙烯无纬布进行预处理，将超高分子量聚乙烯无纬布分别在丙酮、乙醇溶液中先后超声2分钟，并用去离子多次冲洗并在80℃下烘干1h；
3)将预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布浸渍在STF溶液中15min，然后将其取出并放入真空干燥箱中烘干；其中，STF溶液是由体积比为1：1的STF和无水乙醇混合组成，烘干温度为80℃，时间为6h；
4)再将浸渍STF后的聚乙烯无纬布放入装有STF/TA混合溶液的反应釜中，在75℃的恒定温度下水热反应1～5h，取出用蒸馏水冲洗几遍并烘干，得到SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布，其中，所述STF/TA混合溶液由STF溶液和TA混合液配制得到，所述TA混合液由TA和NaCl的混合溶液经pH调节得到，TA和NaCl的混合溶液中TA的浓度为2mg/mL，NaCl的浓度为10mg/mL，所述TA和NaCl的混合溶液采用三羟甲基氨基甲烷将pH调节到8.5，得到TA混合液，所述STF/TA混合溶液中STF溶液和TA混合液的体积比为2:1。
本发明通过SEM和EDS等手段对浸渍法处理和水热法处理的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的形貌进行表征，得出由水热法处理的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布表面包覆的SiO2与浸渍法相比更为均匀，解决了浸渍法的浸渍不均匀的缺点。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
对比例
1)将PEG200放置于烧杯中，向其中一边加入SiO2粉末一边搅拌，加完一定量的SiO2后再搅拌2h，并将其放入80℃真空干燥箱中真空脱泡24h，制得STF，其中，SiO2的粒径为7-40nm，SiO2固含量为15％。
2)对超高分子量聚乙烯无纬布进行预处理，将超高分子量聚乙烯无纬布分别在丙酮、乙醇溶液中先后超声2分钟，并用去离子多次冲洗并在80℃下烘干1h。
3)将预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布浸渍在STF溶液中15min，然后将其取出并放入80℃真空干燥箱中烘干6h，即制得由STF溶液浸渍处理的超高分子量聚乙烯无纬布，其中，STF溶液是由体积比为1：1的STF和无水乙醇混合组成。
图2为实施例1中由STF溶液浸渍处理的超高分子量聚乙烯无纬布的形貌图，由图2(a)可看出，制备样品的表面并不均匀，无纬布表面有亮白色区域有较暗的区域。图2(b)是亮白色区域放大倍数更高的SEM照片，可以看出亮白色区域由无数较小的球状颗粒组成，图中球形颗粒即为STF溶液中的SiO2颗粒，但是可以看出样品上的表面亮白色区域分布并不均匀。
实施例1
1)将PEG200放置于烧杯中，向其中一边加入SiO2粉末一边搅拌，加完一定量的SiO2后再搅拌2h，并将其放入80℃真空干燥箱中真空脱泡24h，制得STF，其中，SiO2的粒径为7-40nm，SiO2固含量为15％。
2)对超高分子量聚乙烯无纬布进行预处理，将超高分子量聚乙烯无纬布分别在丙酮、乙醇溶液中先后超声2分钟，并用去离子多次冲洗并在80℃下烘干1h。
3)将预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布浸渍在STF溶液中15min然后将其取出并放入80℃真空干燥箱中烘干6h，即制得由STF溶液浸渍处理的超高分子量聚乙烯无纬布，其中，STF溶液是由体积比为1：1的STF和无水乙醇混合组成。
4)再将浸渍STF后的聚乙烯无纬布放入装有STF/TA混合溶液的反应釜中，在75℃下反应1h，取出用蒸馏水冲洗几遍并烘干，得到SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布，其中，所述STF/TA混合溶液由STF溶液和TA混合液配制得到，所述TA混合液由TA和NaCl的混合溶液经pH调节得到，TA和NaCl的混合溶液中TA的浓度为2mg/mL，NaCl的浓度为10mg/mL，所述TA和NaCl的混合溶液采用三羟甲基氨基甲烷将pH调节到8.5，得到TA混合液，所述STF/TA混合溶液中STF溶液和TA混合液的体积比为2:1。。
图3为实施例1通过水热法制备的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的形貌图，从图3(a)中可以看出超高分子量聚乙烯无纬布上亮白色区域分布均匀。图3(b)是亮白色区域放大倍数更高的SEM照片，超高分子量聚乙烯无纬布表面均匀分布着纳米级球状颗粒，与图2中浸渍法制备的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布相比，通过水热法制备的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布表面更为均匀。
图4为实施例1通过水热法制备的SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布的EDS谱图，给出亮白色区域的面扫能谱结果，谱图显示的元素由Si、O和Pt，其中Si和O为导电膜衬底的组元，Pt则为溅射用于增加导电的膜。面扫描能谱的结果可以初步证实超高分子量聚乙烯无纬布表面均匀涂敷的球形微粒的主要组成元素是Si和O元素，且这两种元素在其表面分布均匀。
实施例2
1)将PEG200放置于烧杯中，向其中一边加入SiO2粉末一边搅拌，加完一定量的SiO2后再搅拌2h，并将其放入80℃真空干燥箱中真空脱泡24h，制得STF，其中，SiO2的粒径为7-40nm，SiO2固含量为15％。
2)对超高分子量聚乙烯无纬布进行预处理，将超高分子量聚乙烯无纬布分别在丙酮、乙醇溶液中先后超声2分钟，并用去离子多次冲洗并在80℃下烘干1h。
3)将预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布浸渍在15％SiO2固含量的STF溶液中15min然后将其取出并放入80℃真空干燥箱中烘干6h，即制得由STF溶液浸渍处理的超高分子量聚乙烯无纬布，其中，STF溶液是由体积比为1：1的STF和无水乙醇混合组成。
4)再将浸渍STF后的聚乙烯无纬布放入装有STF/TA混合溶液的反应釜中，在75℃下反应3h，取出用蒸馏水冲洗几遍并烘干，得到SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布，其中，所述STF/TA混合溶液由STF溶液和TA混合液配制得到，所述TA混合液由TA和NaCl的混合溶液经pH调节得到，TA和NaCl的混合溶液中TA的浓度为2mg/mL，NaCl的浓度为10mg/mL，所述TA和NaCl的混合溶液采用三羟甲基氨基甲烷将pH调节到8.5，得到TA混合液，所述STF/TA混合溶液中STF溶液和TA混合液的体积比为2:1。。
实施例3
1)将PEG200放置于烧杯中，向其中一边加入SiO2粉末一边搅拌，加完一定量的SiO2后再搅拌2h，并将其放入80℃真空干燥箱中真空脱泡24h，制得STF，其中，SiO2的粒径为7-40nm，SiO2固含量为15％。
2)对超高分子量聚乙烯无纬布进行预处理，将超高分子量聚乙烯无纬布分别在丙酮、乙醇溶液中先后超声2分钟，并用去离子多次冲洗并在80℃下烘干1h。
3)将预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布浸渍在15％SiO2固含量的STF溶液中15min然后将其取出并放入80℃真空干燥箱中烘干6h，即制得SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布，其中，STF溶液是由体积比为1：1的STF和无水乙醇混合组成。
4)再将浸渍STF后的聚乙烯无纬布放入装有STF/TA混合溶液的反应釜中，在75℃下反应5h，取出用蒸馏水冲洗几遍并烘干，得到SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布，其中，所述STF/TA混合溶液由STF溶液和TA混合液配制得到，所述TA混合液由TA和NaCl的混合溶液经pH调节得到，TA和NaCl的混合溶液中TA的浓度为2mg/mL，NaCl的浓度为10mg/mL，所述TA和NaCl的混合溶液采用三羟甲基氨基甲烷将pH调节到8.5，得到TA混合液，所述STF/TA混合溶液中STF溶液和TA混合液的体积比为2:1。。
由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (9)
1.一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）向PEG200中一边加入SiO2粉末一边搅拌，SiO2粉末添加完成后继续搅拌均匀，然后在真空干燥条件下脱泡，制得STF；
2）将超高分子量聚乙烯无纬布分别在丙酮溶液和乙醇溶液中先后超声处理，然后用去离子冲洗若干次并烘干，得到预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布；
3）利用步骤1）得到的STF配制STF溶液，将预处理后的超高分子量聚乙烯无纬布置于STF溶液中浸渍，然后取出真空干燥；
4）将步骤3）得到的超高分子量聚乙烯无纬布置于STF/TA混合溶液中，然后在密闭恒温条件下进行水热反应，水热反应的温度为75℃，时间为1-5h，反应结束后用蒸馏水冲洗若干次并烘干，得到SiO2/超高分子量聚乙烯无纬布；
其中，所述STF/TA混合溶液由STF溶液和TA混合液配制得到，所述TA混合液由TA和NaCl的混合溶液经pH调节得到。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中SiO2粉末的粒径为7-40nm ，步骤1）得到的STF中SiO2固含量为15%。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中真空干燥条件下脱泡的温度为80℃，时间为24h。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中烘干温度为80℃，时间为1h。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，所述STF溶液由体积比为1：1的STF和无水乙醇混合组成。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中浸渍时间为15min，真空干燥温度为80℃，时间为6h。
7.根据权利要求1所述的一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中TA和NaCl的混合溶液中TA的浓度为2mg/mL，NaCl的浓度为10mg/mL。
8.根据权利要求7所述的一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，所述TA和NaCl的混合溶液采用三羟甲基氨基甲烷将pH调节到8.5，得到TA混合液。
9.根据权利要求8所述的一种二氧化硅/超高分子量聚乙烯无纬布的制备方法，其特征在于，所述STF/TA混合溶液中STF溶液和TA混合液的体积比为2:1。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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