CN117966291A - 一种功能性超高分子量聚乙烯纤维、制备方法及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功能性超高分子量聚乙烯纤维、制备方法及其用途，其中，一种功能性超高分子量聚乙烯纤维，按重量份计的，超高分子量聚乙烯纤维基质材料中分散有4‑10％的混合功能性粒子；混合功能性粒子粒径为纳米级；混合功能性粒子包括抗菌粒子和发热保健粒子。其有益效果是，其工艺流程简单，成本低，丰富了超高分子量聚乙烯纤维的功能性，拓展了超高分子量聚乙烯纤维的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及超高分子量纤维制备技术领域，尤其涉及一种功能性超高分子量聚乙烯纤维、制备方法及其用途。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维，又称高强高模聚乙烯纤维，是目前所知比强度最高的纤维材料，与碳纤维、芳纶并称为当代三大高性能纤维，是促进高新技术产业发展的重要新材料，广泛应用于航空航天及国防、海洋工程、体育器械用品、日用民生、医疗材料等。功能性纱线的研制开发已成为国际潮流和热点，尤其是民用市场对功能纱线需求的不断增长。目前，基于超高分子量聚乙烯纤维特性的功能性纤维，如公开号为CN109610027B公开了一种复合型超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，但其制备方法过于复杂，不适合工业化应用；而公开号为CN109468700A公开了一种抗菌高强聚乙烯纤维的制造方法，但其制备出的纤维功能单一。由此可见，目前存在的生产工艺复杂以及制备出的纤维功能过于单一等现状，严重限制了超高分子量聚乙烯纤维的应用前景。
因此，在保证高分子量聚乙烯纤维高强度的前提下，开发具一种工艺更简单的且具有新功能的超高分子量聚乙烯纤维对弥补功能性UHMWPE的技术现状具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种功能性超高分子量聚乙烯纤维、制备方法及其用途，其解决了目前基于超高分子量聚乙烯纤维特性的功能性纤维存在制作工艺复杂、功能单一的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种功能性超高分子量聚乙烯纤维，按重量份计的，超高分子量聚乙烯纤维基质材料中分散有4-10％的混合功能性粒子；混合功能性粒子粒径为纳米级；混合功能性粒子包括抗菌粒子和发热保健粒子。
根据本发明的较佳实施例，所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维，抗菌粒子选自纳米氧化锌、纳米银、纳米金和二硫化钼中的一种或多种；发热保健粒子选自氧化石墨烯、远红外陶瓷粉和生物炭中的一种或多种；混合功能性粒子的粒径为1-100nm。
根据本发明的较佳实施例，所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维，抗菌粒子为纳米氧化锌，发热保健粒子为氧化石墨烯和远红外陶瓷粉；纳米氧化锌、氧化石墨烯和远红外陶瓷粉的质量比为1:1:1。
第二方面，本发明实施例提供一种功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤，S1、纺丝原液的制备：按重量份计，将10-15份UHMWPE粉末、0.7-1份混合功能性粒子及0.1-0.5份分散剂加入至150-200份溶剂油中，分散均匀，制得纺丝原液；S2、冻胶丝的制备：将纺丝原液依次进行纺制、预牵伸、萃取、干燥，制得冻胶丝；S3、将冻胶丝进行正牵伸，得到功能性超高分子量聚乙烯纤维。
根据本发明的较佳实施例，所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，步骤S1中，混合功能性粒子包括粒径均为1-100nm的抗菌粒子和发热保健粒子；抗菌粒子选自纳米氧化锌、纳米银、纳米金和二硫化钼中的一种或多种；发热保健粒子选自氧化石墨烯、远红外陶瓷粉和生物炭中的一种或多种。
根据本发明的较佳实施例，所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，步骤S1中，混合功能性粒子包括按重量份计的：1份氧化石墨烯、1份纳米氧化锌和1份远红外陶瓷粉。
根据本发明的较佳实施例，所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，步骤S1中，UHMWPE粉末重均分子量为100-600万；分散均匀的过程为，在温度40-60℃、转速60～100rpm下搅拌0.5-1h；溶剂油选自白油、石蜡油、液体石蜡和煤油中的一种或几种；分散剂选自六偏磷酸钠、聚羧酸盐、聚(甲基)丙烯酸衍生物或顺丁烯二酸酐共聚物的一种或多种。
根据本发明的较佳实施例，所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，步骤S2中，纺制过程为将纺丝原液依次进行过滤、喷丝和冷却，得到初级冻胶丝，其中，过滤孔径为30～100目，冷却温度为7-15℃；预牵伸过程中，牵伸倍率为1-10倍，牵伸温度为20-30℃；干燥过程中，温度为25-45℃；萃取过程中，当溶剂油选用白油时，萃取剂选用正己烷、汽油和四氢化碳中的一种或多种。
根据本发明的较佳实施例，所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，步骤S3中，所述正牵伸的牵伸倍率为20-70倍，牵伸温度为120-150℃。
第三方面，本发明实施例提供一种功能性超高分子量聚乙烯纤维的用途，第一方面的功能性超高分子量聚乙烯纤维用于制作手套、服装和绳索中，制作出的手套、服装和绳索具具备该纤维的优良特性：优良的抑菌效果，同时，具有自发热、改善血液循环、促进新陈代谢和提高机体免疫力等保健作用，拓展了超高分子量聚乙烯纤维民用市场的应用前景。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的一种功能性超高分子量聚乙烯纤维、制备方法及其用途，由于将混合多功能性粒子直接与UHMWPE粉末直接混合，借助分散剂均匀分散至溶剂油中，然后经过纺制、预牵伸、萃取、干燥、正牵伸，直接制备出具有多功能的超高分子量聚乙烯纤维，制作工艺简单、高效。相对于现有技术而言，其工艺流程简单，成本低，丰富了超高分子量聚乙烯纤维的功能性，拓展了超高分子量聚乙烯纤维的应用前景。
其中，UHMWPE粉末、混合功能性粒子、分散剂以及溶剂油的质量比为10-15:0.7-1:0.1-0.5:150-200，制备的超高分子量聚乙烯纤维可有效抑制大肠杆菌和金葡萄球菌的生长，对应抑菌率高达98％、99％，具有优良的抑菌效果。同时，具有自发热、改善血液循环、促进新陈代谢和提高机体免疫力等保健作用。
在纺丝过程之前，多种功能性粒子借助分散剂的作用均匀分散在纺丝原液中，后续可以使功能性粒子均匀分散在纤维内部，其抗菌自发热等保健性能在使用过程中不会消减，性能更加持久。同时，多种功能性粒子能够同时直接添加，不需要做预处理或改性处理，操作流程简单。
当分散至纺丝原液中的氧化石墨烯、纳米氧化锌和远红外陶瓷粉三种功能性粒子质量比为1:1:1且混合功能性粒子的粒径在1-100nm范围内，三种功能性粒子总质量占UHMWPE质量的4-10％时，整体的抑菌率最佳，远红外发射率最高，制备的纤维丝整体综合功能最佳，此时纤维具有良好的工艺性(此时纺丝均匀且连续性好，纤维表面光滑不易断丝)，并能兼顾具有高强度和伸长率，可发挥优异的抑菌性和远红外发热性能。
冻胶丝的制备中，加入萃取步骤，除去冻胶丝中的溶剂油和残留的分散剂，最终制备的超高分子量聚乙烯纤维只含有超高分子量聚乙烯和功能性粒子，材料健康环保。
对完成纺制过程的冻胶丝进行预牵伸，能够降低冻胶丝内部残留的内应力，同时有助于析出一部分溶剂油。
正牵伸过程中，伸倍率为20-70倍，温度为120-150℃，该条件下制备的超高分子量聚乙烯纤维纤度、强度和伸长率最佳。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合表1，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明实施例提出的一种功能性超高分子量聚乙烯纤维、制备方法及其用途，针对目前基于超高分子量聚乙烯纤维特性的功能性纤维存在制作工艺复杂、功能单一的技术问题；将混合多功能性粒子与UHMWPE粉末直接混合，借助分散剂均匀分散至溶剂油中，然后经过纺制、预牵伸、萃取、干燥、正牵伸，直接制备出具有多功能的超高分子量聚乙烯纤维，制作工艺简单、高效。相对于现有技术而言，其工艺流程简单，成本低，丰富了超高分子量聚乙烯纤维的功能性，拓展了超高分子量聚乙烯纤维的应用前景。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照表1更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然表1中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
本实施例涉及功能性超高分子量聚乙烯纤维的其制备方法，具体步骤如下：
(1)按照质量份数：将15份UHMWPE粉末、1份混合功能性粒子(其中，氧化石墨烯、纳米氧化锌和远红外陶瓷粉的质量比为1:1:1)及0.5份聚羧酸盐依次搅拌加入至200份白油中，以100rpm，在60℃下，搅拌混匀1h，得到纺丝原液。
(2)将步骤(1)得到的纺丝原液进行过滤，过滤器为100目，然后在纺丝箱内进行喷丝后经过15℃的水浴进行冷却，得到初级冻胶丝。
(3)将步骤(2)得到初级冻胶丝进行预牵伸、萃取和干燥：牵伸倍数为10倍，温度为30℃；萃取采用四氢化碳去除初级冻胶丝中的白油和聚羧酸盐，萃取5-10分钟；干燥处理在45℃的干燥箱中干燥5-10分钟，得到冻胶丝。
(4)将步骤(3)中得到的冻胶丝进行正牵伸，牵伸倍数为50倍，温度为140℃，即得到具有抗菌、自发热和保健作用的超高分子量聚乙烯纤维。
(5)将步骤(4)中得到的将步骤(3)中得到的超高分子量聚乙烯纤维(简称纤维)进行性能测试，结果参见表1所示。
如表1所示，实施例1为最佳实施例，制备出的超高分子量聚乙烯纤维纤强度和伸长率最高，抗菌和发热效果也最佳。保证超高分子量聚乙烯纤维的原本的纤维特性，同时增加了抗菌和发热功能。
实施例2
本实施例涉及功能性超高分子量聚乙烯纤维的其制备方法，与实施例1的区别在于：步骤(1)中按照质量份数：将10份UHMWPE粉末、0.7份混合功能性粒子(其中，氧化石墨烯、纳米氧化锌和远红外陶瓷粉的质量比为1:1:1)及0.1份六偏磷酸钠依次搅拌加入至150份白油中。
如表1所示，本实施例与实施例1对比可知，少量增加混合功能性粒子与UHMWPE粉末的占比，制备出的纤维的纤度提升，对应强度和伸长率均有所下降，抑菌率和远红外发射率(发热效果)也有所下降。
实施例3
本实施例涉及功能性超高分子量聚乙烯纤维的其制备方法，与实施例1的区别在于：步骤(4)中正牵伸的牵伸倍数为20倍。
如表1所示，本实施例中正牵伸的牵伸倍数较实施例1降低，纤维纤度有所增加，但是强度和伸长率有所下降；虽然没有改变功能性粒子的添加量，但是抑菌率和远红外发射率(发热效果)有所下降。
实施例4
本实施例涉及功能性超高分子量聚乙烯纤维的其制备方法，与实施例3的区别在于：步骤(3)中萃取采用正己烷去除初级冻胶丝中的白油和聚羧酸盐；步骤(4)中正牵伸的牵伸倍数为70倍。
如表1所示，本实施例中正牵伸的牵伸倍数较实施例1升高，纤维纤度没有变化，强度和伸长率有所下降；同样，没有改变功能性粒子的添加量，但是抑菌率和远红外发射率(发热效果)有所下降。
实施例5
本实施例涉及功能性超高分子量聚乙烯纤维的其制备方法，与实施例1的区别在于：
步骤(4)中正牵伸的牵伸温度为120℃。
如表1所示，本实施例中正牵伸的牵伸温度较实施例1降低，纤维纤度、强度和伸长率均有所下降；同样，没有改变功能性粒子的添加量，但是抑菌率和远红外发射率(发热效果)有所下降。
实施例6
本实施例涉及功能性超高分子量聚乙烯纤维的其制备方法，与实施例5的区别在于：
步骤(4)中正牵伸的牵伸温度为150℃。
如表1所示，本实施例中正牵伸的牵伸温度较实施例1升高，纤维纤度不变，强度和伸长率均有所下降，但是下降幅度小于实施例5；同样，没有改变功能性粒子的添加量，但是抑菌率和远红外发射率(发热效果)有所下降，下降幅度小于实施例5。实施例1、5、6比较，说明较高的牵伸温度有利于提升纤维特性和促进其中的功能性粒子发挥作用。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于：步骤(1)中：UHMWPE粉末加入量为28份。
本对比例中，增加了UHMWPE粉末的加入量(超过15份)，结果很难进行纺丝，过量的UHMWPE粉末会增加原料的黏性，导致纤维的喷丝和拉伸过程困难，从而影响纤维的形成和质量控制。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于：步骤(1)中按照质量份数：添加1.6份混合功能性粒子(其中，氧化石墨烯、纳米氧化锌和远红外陶瓷粉的质量比为1:1:1)。
本对比例中，增加了混合功能性粒子的加入量(超过1份)，结果混合功能性粒子添加过量会导致过滤器堵塞，纺丝不顺利，纺丝失败。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于：
步骤(1)中按照质量份数：添加1份聚羧酸盐(分散剂)。
本对比例中，增加了聚羧酸盐(分散剂)的加入量(超过0.5份)；结果参见表1，分散剂的过多添加会增加溶液的黏稠度，使得纤维在牵伸过程中受到更大的阻力，导致纤维的纤度、强度和伸长率大幅下降。与此同时，抑菌率和远红外发射率(发热效果)也有所下降。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于：
步骤(1)中氧化石墨烯、纳米氧化锌和远红外陶瓷粉三种功能性粒子质量比为2：3：1。
本对比例中，改变了以上三种功能性粒添加量的的比例；结果参见表1，整体的抑菌率有所下降，因远红外陶瓷粉的添加量相对另外两种功能性粒子偏少，远红外发射率有明显下降。由此可见，以上三种功能性粒添加量的的比例为1:1:1时，整体的抑菌率最佳，远红外发射率最高，制备的纤维整体综合功能最佳。
对比例5
本对比例与实施例1的区别在于：未加入三种功能性粒子和分散剂。
本对比例中，因未添加三种功能性粒子和分散剂，其抑菌率和远红外发射率(发热效果)明显下降。同时，因本对比例中，因未添加三种功能性粒子和分散剂，对应的纤度、强度和伸长率可以作为参考值，与实施例1作比较，反映出，在UHMWPE粉末阶段加入三种功能性粒子和分散剂，并未影响纤维特性。
对比例6
本对比例与实施例1的区别在于：在步骤(4)中的正牵伸温度更改为155℃(超出150℃)。
牵伸过程中会出现毛丝、断丝现象，纺丝不顺，过高的温度会超过超高分子量聚乙烯原料的耐热温度值。
对比例7
本对比例与实施例1的区别在于：步骤(4)中正牵伸的牵伸倍数为75倍(超过70倍)。
牵伸过程中会出现断丝、难牵伸的现象，牵伸倍数过高会对UHMWPE分子结构施加过大的应力，增加纤维断裂的风险。
表1：
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种功能性超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于，按重量份计的，
超高分子量聚乙烯纤维基质材料中分散有4-10％的混合功能性粒子；
混合功能性粒子粒径为纳米级；
混合功能性粒子包括抗菌粒子和发热保健粒子。
2.如权利要求1所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于，
抗菌粒子选自纳米氧化锌、纳米银、纳米金和二硫化钼中的一种或多种；
发热保健粒子选自氧化石墨烯、远红外陶瓷粉和生物炭中的一种或多种；
混合功能性粒子的粒径为1-100nm。
3.如权利要求2所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于，
抗菌粒子为纳米氧化锌；
发热保健粒子为氧化石墨烯和远红外陶瓷粉；
纳米氧化锌、氧化石墨烯和远红外陶瓷粉的质量比为1:1:1。
4.一种功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、纺丝原液的制备：按重量份计，将10-15份UHMWPE粉末、0.7-1份混合功能性粒子及0.1-0.5份分散剂加入至150-200份溶剂油中，分散均匀，制得纺丝原液；
S2、冻胶丝的制备：将纺丝原液依次进行纺制、预牵伸、萃取、干燥，制得冻胶丝；
S3、将冻胶丝进行正牵伸，得到功能性超高分子量聚乙烯纤维。
5.如权利要求4所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤S1中，
混合功能性粒子包括粒径均为1-100nm的抗菌粒子和发热保健粒子；
抗菌粒子选自纳米氧化锌、纳米银、纳米金和二硫化钼中的一种或多种；
发热保健粒子选自氧化石墨烯、远红外陶瓷粉和生物炭中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤S1中，
混合功能性粒子包括按重量份计的：1份氧化石墨烯、1份纳米氧化锌和1份远红外陶瓷粉。
7.如权利要求4所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤S1中，
UHMWPE粉末重均分子量为100-600万；
分散均匀的过程为，在温度40-60℃、转速60～100rpm下搅拌0.5-1h；
溶剂油选自白油、石蜡油、液体石蜡和煤油中的一种或几种；
分散剂选自六偏磷酸钠、聚羧酸盐、聚(甲基)丙烯酸衍生物或顺丁烯二酸酐共聚物的一种或多种。
8.如权利要求7所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤S2中，
纺制过程为将S1中的纺丝原液依次进行过滤、喷丝和冷却，得到初级冻胶丝，其中，过滤孔径为30～100目，冷却温度为7-15℃；
预牵伸过程中，牵伸倍率为1-10倍，牵伸温度为20-30℃；
干燥过程中，温度为25-45℃；
萃取过程中，当溶剂油选用白油时，萃取剂选用正己烷、汽油和四氢化碳中的一种或多种。
9.如权利要求4所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤S3中，
所述正牵伸的牵伸倍率为20-70倍，牵伸温度为120-150℃。
10.权利要求1-3任一项所述的功能性超高分子量聚乙烯纤维用于制作手套、服装和绳索中。
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