本發(fā)明涉及高分子材料，尤其涉及一種高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、超高分子量聚乙烯纖維(uhmwpe纖維)是一種性能卓越的高分子纖維材料，因其極高的分子量(通常在300萬到600萬g/mol之間)而具備一系列優(yōu)異的特性。uhmwpe纖維具有極高的抗拉強(qiáng)度，通常在2.4-4.8gpa之間，其比強(qiáng)度遠(yuǎn)超鋼材和許多傳統(tǒng)纖維材料，同時(shí)密度極低，約為0.93-0.97g/cm3，使其在需要輕質(zhì)材料的應(yīng)用中極具競(jìng)爭(zhēng)力。此外，uhmwpe纖維還具備出色的耐磨性，是所有商業(yè)化纖維中耐磨性能最好的材料之一。它對(duì)大多數(shù)化學(xué)品、酸堿和有機(jī)溶劑具有優(yōu)異的耐受能力，并能在極低溫環(huán)境中保持高強(qiáng)度和韌性，特別適用于低溫條件下的應(yīng)用場(chǎng)景。uhmwpe纖維的低吸水率使其在潮濕環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定性能，其抗紫外線性能也相對(duì)較好，不易因光照降解。由于其分子結(jié)構(gòu)和極低的表面能，uhmwpe纖維難以通過傳統(tǒng)染色方法染色，通常需要采用特殊的表面處理工藝。uhmwpe纖維廣泛應(yīng)用于防彈衣、防彈頭盔、裝甲、海洋和航空航天領(lǐng)域的高強(qiáng)度繩索和纜索，復(fù)合材料增強(qiáng)材料，防切割手套和防護(hù)服等。此外，該纖維還被用于高性能運(yùn)動(dòng)器材中，如滑雪板和釣魚線等，以提升產(chǎn)品的性能和耐用性。由于其輕質(zhì)高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性、耐化學(xué)性和耐低溫性，uhmwpe纖維在需要高性能材料的工業(yè)、軍事和體育等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。

2、目前，高性能纖維和膜材料普遍采用熔融紡絲法和凝膠紡絲法制備。熔融紡絲法是將聚合物加熱至其熔點(diǎn)以上，使其熔融成流體狀態(tài)，然后通過噴絲板擠出形成細(xì)絲，最后通過冷卻使其固化，形成纖維。凝膠紡絲法是將聚合物溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲校纬赡z狀態(tài)，然后通過噴絲板擠出，再通過溶劑的去除或凝固劑的使用使其形成纖維。而由于超高分子量聚乙烯的高分子量、高熔融粘度、分子鏈纏結(jié)及取向不足等特性，使得在熔融紡絲過程中難以實(shí)現(xiàn)有效的伸展和拉伸，導(dǎo)致最終制備的纖維抗拉強(qiáng)度較低。這也導(dǎo)致uhmwpe纖維更常采用凝膠紡絲法進(jìn)行制備。但是，與熔融紡絲法相比，凝膠紡絲法存在工藝復(fù)雜、成本高、效率低、環(huán)保性差以及不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等問題。

3、因此，現(xiàn)有技術(shù)目前無法直接利用熔融紡絲法進(jìn)行uhmwpe纖維的制備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維及其制備方法，本發(fā)明提供的制備方法利用改性酸化多壁碳納米管、改性蒙脫土之間的協(xié)同作用，使得超高分子量聚乙烯大分子鏈在成型過程中產(chǎn)生取向和伸展等效應(yīng)，進(jìn)而大幅度地減少分子纏結(jié)，最終提高纖維的抗拉強(qiáng)度，得到了一種高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維。

2、本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、將多壁碳納米管加入鹽酸溶液中攪拌均勻，加入γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷后升溫，攪拌反應(yīng)后，得到改性酸化多壁碳納米管；

4、s2、將鈉基蒙脫土均勻分散在去離子水中，調(diào)整ph為6～7，加入十八烷基三甲基氯化銨攪拌反應(yīng)，反應(yīng)完成后過濾，干燥，球磨，得到改性蒙脫土；

5、s3、將超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、所述步驟s1得到的改性酸化多壁碳納米管、所述步驟s2得到的改性蒙脫土、抗氧劑混合均勻后投入雙螺桿擠出機(jī)中，熔融紡絲，水浴冷卻，得到高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維。

6、進(jìn)一步地，所述s1中，鹽酸溶液的濃度為30％～40％，所述多壁碳納米管與所述鹽酸溶液的質(zhì)量比為1:(2～3)。

7、進(jìn)一步地，所述s1中，多壁碳納米管與γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的質(zhì)量比為1:(0.5～1)。

8、進(jìn)一步地，所述s1中，反應(yīng)溫度為25℃～35℃，反應(yīng)時(shí)間為1～3h。

9、進(jìn)一步地，所述s2中，所述鈉基蒙脫土與十八烷基三甲基氯化銨的質(zhì)量比為1:(0.2～0.4)。優(yōu)選的，所述s2中，所述鈉基蒙脫土與十八烷基三甲基氯化銨的質(zhì)量比為1:0.3。

10、進(jìn)一步地，所述s2中，反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為0.5～1h。

11、進(jìn)一步地，所述s2中，干燥溫度為60℃～80℃，干燥時(shí)間為12～24h。

12、進(jìn)一步地，所述改性蒙脫土的粒徑≤50μm。

13、進(jìn)一步地，所述s3中，超高分子量聚乙烯的粘均分子量為100～240萬，高密度聚乙烯的粘均分子量為20～50萬。

14、進(jìn)一步地，所述s3中，超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯的質(zhì)量比為1:(0.2～0.8)。優(yōu)選的，所述s3中，超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯的質(zhì)量比為1:0.5。

15、進(jìn)一步地，所述s3中，改性酸化多壁碳納米管的添加量為超高分子量聚乙烯的1.5％～5％，改性蒙脫土的添加量為超高分子量聚乙烯的1.5％～5％，抗氧劑的添加量為超高分子量聚乙烯的0.5％～2％。優(yōu)選的，所述s3中，改性酸化多壁碳納米管的添加量為超高分子量聚乙烯的3.5％，改性蒙脫土的添加量為超高分子量聚乙烯的2.5％，抗氧劑的添加量為超高分子量聚乙烯的1.25％。

16、本發(fā)明還提供了一種根據(jù)上述方法制備而成的高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

18、本發(fā)明通過改性酸化多壁碳納米管和改性蒙脫土的協(xié)同作用，顯著減少了超高分子量聚乙烯大分子鏈的纏結(jié)現(xiàn)象，增強(qiáng)了分子鏈的取向和拉伸效應(yīng)，從而有效提高了纖維的抗拉強(qiáng)度。

19、本發(fā)明通過對(duì)碳納米管、蒙脫土的改性反應(yīng)條件和配比的合理優(yōu)化，確保了改性材料與超高分子量聚乙烯基體的均勻分散和充分結(jié)合，提升了纖維的整體性能。

20、本發(fā)明提供的制備方法操作相對(duì)簡(jiǎn)便，且可以通過調(diào)整各組分的比例、反應(yīng)溫度和時(shí)間來靈活調(diào)控纖維的最終性能，具有良好的可控性和適應(yīng)性，適合工業(yè)化生產(chǎn)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述s1中，多壁碳納米管與γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的質(zhì)量比為1:(0.5～1)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述s1中，反應(yīng)溫度為25℃～35℃，反應(yīng)時(shí)間為1～3h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述s2中，所述鈉基蒙脫土與十八烷基三甲基氯化銨的質(zhì)量比為1:(0.2～0.4)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述s2中，所述鈉基蒙脫土與十八烷基三甲基氯化銨的質(zhì)量比為1:0.3。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述改性蒙脫土的粒徑≤50μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述s3中，超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯的質(zhì)量比為1:(0.2～0.8)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述s3中，超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯的質(zhì)量比為1:0.5。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述s3中，改性酸化多壁碳納米管的添加量為超高分子量聚乙烯的1.5％～5％，改性蒙脫土的添加量為超高分子量聚乙烯的1.5％～5％，抗氧劑的添加量為超高分子量聚乙烯的0.5％～2％。

10.一種高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維，其特征在于，由權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)所述方法制備而成。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維及其制備方法，涉及高分子材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先制備改性酸化多壁碳納米管和改性蒙脫土，然后將兩者作為助劑，與超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、抗氧劑按比例混合后，經(jīng)熔融紡絲，得到高強(qiáng)度超高分子量聚乙烯熔體紡絲纖維。本發(fā)明通過改性酸化多壁碳納米管和改性蒙脫土的協(xié)同作用，顯著減少了超高分子量聚乙烯大分子鏈的纏結(jié)現(xiàn)象，增強(qiáng)了分子鏈的取向和拉伸效應(yīng)，從而有效提高了纖維的抗拉強(qiáng)度。本發(fā)明提供的制備方法操作相對(duì)簡(jiǎn)便，且可以通過調(diào)整各組分的比例、反應(yīng)溫度和時(shí)間來靈活調(diào)控纖維的最終性能，具有良好的可控性和適應(yīng)性，適合工業(yè)化生產(chǎn)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：卿凱榕,王增喜,文水平,曹靜雯,楊玉麗,陳玉瑩,劉建清
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23