CN115323547A - 一种耐热超高分子量聚乙烯纱线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐热超高分子量聚乙烯纱线及其制备方法，所述纱线包括芯材和包覆层，其中，所述芯材为强度范围在28‑52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维，所述芯材外包覆有掺杂了相变材料包覆层。本发明以强度范围在28‑52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材，通过将掺杂了相变材料的包覆层包覆在超高分子量聚乙烯纤维外，获得耐热超高分子量聚乙烯纱线。该纱线具有更好的高温耐受性，在高温环境下仍然具备高强高模的特性，可以长时间抵御高温，且可重复使用，更具有工业实用性。

Description

一种耐热超高分子量聚乙烯纱线及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维制造技术领域，具体地说，涉及一种耐热超高分子量聚乙烯纱线及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维指相对分子量100万以上的聚乙烯纺出的纤维，具有高强高模的特点，但是由于热变形温度为(0.46MPa)85℃，熔点在130℃左右，限制了他在高温环境下的应用。
现有的技术常采用物理填料法，向超高分子量聚乙烯纤维中添加炭黑、SiO2、阻燃剂等填料改善纤维的热稳定性，但是由于填料使用量较少，纤维的耐热性能有限，而且填料的加入不可避免的破环了超高分子量聚乙烯纤维大分子链的缠结状态，从而降低纤维的力学性能。
中国申请202210105944.X公开了一种耐热超高分子量聚乙烯纤维的工艺，该工艺是以超高分子量聚乙烯纤维为芯材，在型材外的包覆层，包覆层的作用在于吸收水分以便于形成固定的冰层，从而为液态石蜡提供相变的条件，形成的固态石蜡层具有吸收瞬时热量的作用。然而此工艺得到的纤维制品在受热之后，石蜡会融化，一方面，石蜡融化后的纤维制品不再具有耐热的作用，纤维制品需要及时更换；另一方面，石蜡融化过程较长，在此过程中融化的液态石蜡会滴落造成耐热效果不均匀，不能长时间起效。因此，需要提供一种力学性能较好，可以长时间耐热且可以重复使用的耐热超高分子量聚乙烯纱线，并提供该耐热超高分子量聚乙烯纱线的制备方法。
发明内容
本发明旨在研发一种耐热超高分子量聚乙烯纱线及其制备方法，所述纱线包括芯材和包覆层，其中，所述芯材为强度范围在28-52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维，所述芯材外包覆有掺杂了相变材料包覆层。本发明以强度范围在28-52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材，通过将掺杂了相变材料的包覆层包覆在超高分子量聚乙烯纤维外，获得耐热超高分子量聚乙烯纱线。所述耐热超高分子量聚乙烯纱线在75-200℃的条件下，强度仍在28-52cN/dtex之间，并且该纱线具有更好的高温耐受性，在高温环境下仍然具备高强高模的特性，可以长时间抵御高温，且可重复使用，更具有工业实用性。
第一方面，本发明涉及一种耐热超高分子量聚乙烯纱线，所述纱线包括芯材和包覆层，其中，所述芯材为强度范围在28-52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维，所述芯材外包覆有掺杂了相变材料包覆层，所述包覆层包括基材和相变材料。
第二方面，本发明涉及一种耐热超高分子量聚乙烯纱线的制备方法，包括以下步骤：
以强度范围在28-52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材；
制备掺杂相变材料的包覆层，所述包覆层包括基材和相变材料；
在所述超高分子量聚乙烯纤维外覆盖所述包覆层。
本发明提出了一种耐热超高分子量聚乙烯纱线及其制备方法，所述耐热超高分子量聚乙烯纱线在75-200℃的条件下，强度仍在28-52cN/dtex之间，并且该纱线具有更好的高温耐受性，在高温环境下仍然具备高强高模的特性，可以长时间抵御高温，且可重复使用，更具有工业实用性。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这此限制，而是由权利要求书来确定。
需要特别说明的是，在本说明书的上下文中公开的两个或多个方面(或实施方式)可以彼此任意组合，由此而形成的技术方案属于本说明书原始公开内容的一部分，同时也落入本发明的保护范围之内。
本发明提供了一种耐热超高分子量聚乙烯纱线，所述纱线包括芯材和包覆层，其中，所述芯材为强度范围在28-52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维，所述芯材外包覆有掺杂了相变材料包覆层，所述包覆层包括基材和相变材料。
根据本发明所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线，所述纱线在经受75-200℃处理后，其强度仍在28-52cN/dtex之间。
根据本发明的一些实施方案，所述基材为化学纤维或天然纤维的长丝、短纤或其组合。
优选地，所述基材选自化学纤维的长丝或短纤。
根据本发明的一些实施方案，所述相变材料包括Na2SO4·10H2O，MgCl2·6H2O，CaCl2·6H2O，Li2SO4，层状钙钛矿，石蜡，季戊四醇，新戊二醇、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇、三羟甲基乙烷、三羟甲基氨基甲烷中的一种或几种。相变材料在基材中起到吸收热量，保护芯材的作用。
优选地，所述相变材料为石蜡和/或Li2SO4。
最优选地，所述相变材料为石蜡。
根据本发明的一些实施方案，所述基材和相变材料能够以不改变所述相变材料性质情况下的任何形式存在。
根据本发明的一些实施方案，所述包覆层还包括导热材料，包括但不限于纳米石墨烯、石墨粉、碳纳米管中的一种或几种。该导热材料用于提高热传导效率；其中，优选纳米石墨烯。
根据本发明的一些实施方案，所述包覆层还包括粘胶剂，包括但不限于聚丁二烯、有机硅、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酰亚胺、氰基丙烯酸乙酯类中的一种或多种。
本发明所述粘胶剂可作为基材与芯材的连接方式；也可作为基材间的连接方式，如短纤与短纤、长丝或短纤等；也作为相变材料间的连接方式；或作为导热材料与基材间的连接方式。
在一个优选的实施方案中，所述包覆层为化学纤维中的短纤和胶粘剂的组合。
在另一个优选的实施方案中，所述包覆层为纤维长丝、短纤和胶粘剂的组合。
在另一个优选的实施方案中，所述包覆层为短纤、相变材料和胶粘剂的组合。
在另一个优选的实施方案中，所述包覆层为短纤、导热材料和相变材料的组合。
在另一个优选的实施方案中，所述包覆层为短纤、导热材料、粘胶剂和相变材料的组合。
在另一个优选的实施方案中，所述包覆层为长丝、短纤和相变材料的组合。
在某些优选的实施方案中，所述相变材料与芯材的质量比为1-7:1；优选1-5:1。
本发明还提供了一种耐热超高分子量聚乙烯纱线的制备方法，包括以下步骤：
以强度范围在28-52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材；
制备掺杂相变材料的包覆层，所述包覆层包括基材和相变材料；
在所述超高分子量聚乙烯纤维外覆盖所述包覆层。
根据本发明的一些实施方案，所述基材和相变材料能够以不改变相变材料性质情况下的任何形式存在。所述基材中，所述相变材料的掺杂方式可以是在所述相变材料的相变点温度以上浸渍至饱和或者是在所述基材成型过程中共混或者是直接包覆所述相变材料的粉末。
优选地，所述基材中相变材料的掺杂方式是在相变材料相变点温度以上浸渍至饱和。
根据本发明的一些实施方案，所述超高分子量聚乙烯纤维芯材被包覆层完全覆盖。
实验原料：
本发明所用到的超高分子量聚乙烯纤维为中石化南京化工研究院有限公司生产。
测试方法与设备：
拉伸强度测试：
测试方法参照GB/T 19975-2005《高强化纤长丝拉伸性能试验方法》
实施例
实施例1
采用28cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材，以80#石蜡为相变材料，以氨纶为基材，融化石蜡，将石蜡浸渍到氨纶上至饱和，然后立即进入5℃低温环境中，液态石蜡在氨纶上转为固态。石蜡质量为芯材的1倍。以超高分子量聚乙烯束丝为芯材，以包含石蜡的氨纶为包覆层，将芯材完全包覆，纺得包芯纱即为本发明所述耐热超高分子量聚乙烯纤维纱线。该纱线在78℃条件下干燥3h后取出，芯材的强度28cN/dtex。-1℃冷冻后，重复上述加热实验，芯材强度28cN/dtex。
实施例2
采用35cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材。以Li2SO4为相变材料，以棉纱为基材，将棉纱在80℃的Li2SO4饱和水溶液中浸渍至饱和，烘干后作为包覆层，以制备的超高分子量聚乙烯束丝为芯材，将芯材完全包覆，其中Li2SO4质量为芯材的4倍。纺得包芯纱即为本发明所述耐热超高分子量聚乙烯纤维纱线。该纱线在120℃条件下干燥2h后取出，芯材的强度35cN/dtex。-10℃冷冻后，重复上述加热实验，芯材强度35cN/dtex。
实施例3
采用39cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材。以80#石蜡为相变材料，以多孔涤纶短纤为基材，融化石蜡，将石蜡浸渍到多孔涤纶短纤上至饱和，然后立即进入5℃低温环境中，液态石蜡在涤纶短纤上转为固态。石蜡质量为芯材的5倍。以制备的超高分子量聚乙烯束丝为芯材，在芯材外涂覆氰基丙烯酸乙酯为粘结剂，将包含石蜡的涤纶短纤均匀粘结并完全包覆芯材，即得到为本发明所述耐热超高分子量聚乙烯纤维纱线。该纱线在78℃条件下干燥3h后取出，芯材的强度38.4cN/dtex。-1℃冷冻后，重复上述加热实验，芯材强度38.4cN/dtex。
实施例4
采用41cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材。以Li2SO4为相变材料，以棉纱为基材，将棉纱在80℃的Li2SO4饱和水溶液中浸渍至饱和，饱和水溶液中含有质量分数0.1％的纳米石墨烯，烘干后作为包覆层，以制备的超高分子量聚乙烯束丝为芯材，将芯材完全包覆，其中Li2SO4质量为芯材的4倍。纺得包芯纱即为本发明所述耐热超高分子量聚乙烯纤维纱线。该纱线在120℃条件下干燥2h后取出，芯材的强度40.5cN/dtex。-10℃冷冻后，重复上述加热实验，芯材强度40.5cN/dtex。
实施例5
采用39cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材。以高密度聚乙烯树脂为原料，加入质量分数1％的纳米石墨烯，质量分数10％的相变材料2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇，三者混合均匀了熔融纺丝得到含相变材料的改性基材。融化石蜡，将石蜡浸渍到改性基材上，然后立即进入5℃低温环境中，液态石蜡在涤纶短纤上转为固态。以超高分子量聚乙烯束丝为芯材，将包含石蜡的基材完全包覆芯材，其中相变材料质量为芯材的4倍。即得到为本发明所述耐热超高分子量聚乙烯纤维纱线。该纱线在200℃条件下干燥30mim后取出，芯材的强度37cN/dtex。-10℃冷冻后，重复上述加热实验，芯材强度为37cN/dtex。
实施例6
采用45cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材。以棉纤维短纤/多孔涤纶长丝(两者组分比6:4)为基材，基材中混合有质量分数0.1％的纳米石墨烯，相变材料Li2SO4，通过粘胶剂氰基丙烯酸乙酯将芯材、基材、相变材料及石墨烯紧密结合，其中Li2SO4质量为芯材的2倍。即得到为本发明所述耐热超高分子量聚乙烯纤维纱线。该纱线在80℃条件下干燥1h后取出，芯材的强度42.7cN/dtex。-10℃冷冻后，重复上述加热实验，芯材强度42cN/dtex。
实施例7
采用52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材。以棉纤维短纤/多孔涤纶长丝(两者组分比6:4)为基材，7倍于芯材质量的相变材料80#石蜡，融化石蜡，将石蜡浸渍到基材上，然后立即进入5℃低温环境中，液态石蜡转为固态。即得到为本发明所述耐热超高分子量聚乙烯纤维纱线。该纱线在75℃条件下干燥1h后取出，芯材的强度51.8cN/dtex。-1℃冷冻后，重复上述加热实验，芯材强度51.8cN/dtex。
在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种耐热超高分子量聚乙烯纱线，所述纱线包括芯材和包覆层，其中，所述芯材为强度范围在28-52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维，所述芯材外包覆有掺杂了相变材料包覆层，所述包覆层包括基材和相变材料。
2.根据权利要求1所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线，其特征在于，所述纱线在经受75-200℃处理后，其强度范围在28-52cN/dtex。
3.根据权利要求1所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线，其特征在于，所述基材为化学纤维或天然纤维的长丝、短纤或其组合；优选地，所述基材选自化学纤维的长丝或短纤。
4.根据权利要求1或3所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线，其特征在于，所述相变材料包括Na2SO4·10H2O，MgCl2·6H2O，CaCl2·6H2O，Li2SO4，层状钙钛矿，石蜡，季戊四醇，新戊二醇、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇、三羟甲基乙烷、三羟甲基氨基甲烷中的一种或几种；优选地，所述相变材料为石蜡和/或Li2SO4；最优选地，所述相变材料为石蜡。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线，其特征在于，所述基材和相变材料能够以不改变所述相变材料性质情况下的任何形式存在。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线，其特征在于，所述包覆层还包括导热材料，所述导热材料包括纳米石墨烯、石墨粉、碳纳米管中的一种或几种；优选纳米石墨烯。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线，其特征在于，所述包覆层还包括粘胶剂，所述粘胶剂包括聚丁二烯、有机硅、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酰亚胺、氰基丙烯酸乙酯类中的一种或多种。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线的制备方法，包括以下步骤：
以强度范围在28-52cN/dtex的超高分子量聚乙烯纤维为芯材；
制备掺杂相变材料的包覆层，所述包覆层包括基材和相变材料；
在所述超高分子量聚乙烯纤维外覆盖所述包覆层。
9.根据权利要求8所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线的制备方法，其特征在于，所述基材中，所述相变材料的掺杂方式可以是在所述相变材料的相变点温度以上浸渍至饱和或者是在所述基材成型过程中共混或者是直接包覆所述相变材料的粉末。
10.根据权利要求8或9所述的耐热超高分子量聚乙烯纱线的制备方法，其特征在于，所述相变材料与芯材的质量比为1-7:1；优选1-5:1。
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