一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法及应用 (Preparation method and application of ultra-high molecular weight and low creep polyethylene fiber ) 是由 任意 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法及应用。该制备方法包括以下步骤：将超高分子量聚乙烯粉、石墨烯、溶剂油、抗氧剂和乳化剂混合均匀得到纺丝原液,采用冻胶纺丝法获得UHMWPEF冻胶原丝；将UHMWPEF冻胶原丝依次经过预拉伸和至少二级高温拉伸后萃取；将萃取获得的UHMWPEF原生丝与聚异氰酸酯交联剂在溶剂中混合均匀,进行超声浸渍处理；将浸渍处理后的原生丝干燥后采用氧气等离子体处理；将氧气等离子体处理后的原生丝再次经过末次高温拉伸。采用本发明制备方法获得的纤维具有高强度、低蠕变的优异性能,其中断裂强度不低于42g/d,蠕变伸长率不高于3％,可以应用在防护装甲上并提升其防护效果。(The invention discloses a preparation method and application of ultra-high molecular weight and low creep polyethylene fiber. The preparation method comprises the following steps: uniformly mixing ultra-high molecular weight polyethylene powder, graphene, solvent oil, an antioxidant and an emulsifier to obtain a spinning solution, and obtaining UHMWPEF gel precursor by adopting a gel spinning method; sequentially pre-stretching and at least two-stage high-temperature stretching UHMWPEF gel protofilaments and then extracting; uniformly mixing the UHMWPEF raw silk obtained by extraction with a polyisocyanate crosslinking agent in a solvent, and carrying out ultrasonic dipping treatment; drying the dipped raw silk and then treating the raw silk by adopting oxygen plasma; and (4) carrying out the last high-temperature drawing on the primary yarn treated by the oxygen plasma again. The fiber obtained by the preparation method has excellent performances of high strength and low creep, wherein the breaking strength is not lower than 42g/d, the creep elongation is not higher than 3%, and the fiber can be applied to protective armor and can improve the protective effect of the protective armor.)
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法及应用。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维(简称UHMWPEF)，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。据报道，美国生产制造的UHMWPEF有70％用于防弹衣、防弹头盔、军用设施和设备的防弹装甲、航空航天等军事领域，高性能纤维的发展无疑是一个国家综合实力的体现，是建设现代化强国的重要物资基础。中国虽是化纤大国，但绝对不是化纤强国，据有关部门统计，中国的高性能特种纤维的产量仅为世界产量的百分之一。尽管UHMWPEF现已经在国内形成多个产业化生产基地，但实际能应用于军事领域的占比却很低。UHMWPEF中的大分子主链由亚甲基组成、无侧链，分子没有极性，分子链之间只有范德华力作用，故分子间作用力低。在承载过程中，分子链之间以及晶片之间容易产生相对滑移，导致尺寸、形态的不稳定，在宏观上表现为较大的蠕变。如果能在不降低UHMWPEF强度的前提下改善其蠕变性能，将对UHMWPEF在军事上的广泛应用产生较大推动作用。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法及应用。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将超高分子量聚乙烯粉、石墨烯、溶剂油、抗氧剂和乳化剂混合均匀得到纺丝原液，采用冻胶纺丝法获得UHMWPEF冻胶原丝；
步骤2，将UHMWPEF冻胶原丝依次经过预拉伸和至少二级高温拉伸后萃取；
步骤3，将萃取获得的UHMWPEF原生丝与聚异氰酸酯交联剂在溶剂中混合均匀，进行超声浸渍处理；
步骤4，将浸渍处理后的原生丝干燥后采用氧气等离子体处理；
步骤5，将氧气等离子体处理后的原生丝再次经过末次高温拉伸，即得。
进一步地，所述将超高分子量聚乙烯粉、石墨烯、溶剂油、抗氧剂和乳化剂混合均匀得到纺丝原液，其中石墨烯的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.02～0.05％，抗氧剂的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.05～0.2％，乳化剂的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.01～0.1％。
进一步地，所述预拉伸的控制参数为：温度110～120℃，拉伸倍率为6～8倍。
优选地，所述至少二级高温拉伸采用三级高温拉伸，其中一级高温拉伸的控制参数为：温度115～120℃，拉伸倍率为10～15倍；二级高温拉伸的控制参数为：温度125～130℃，拉伸倍率为6～8倍；三级高温拉伸的控制参数为：温度132～138℃，拉伸倍率为3～4倍。
进一步地，所述超声浸渍处理的控制参数为：超声功率为250～300W，频率为30～40KHz，时间为10～20min。
进一步地，所述氧气等离子体处理的控制参数为：功率为100～120W，氧气含量为25～30％，时间为4～5min。
进一步地，所述末次高温拉伸的控制参数为：温度132～138℃，拉伸倍率为1～2倍。
第二个方面，本发明提供一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维，是采用上述制备方法获得。
进一步地，所述超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的断裂强度不低于42g/d，蠕变应变率不高于3％。
第三个方面，本发明提供上述超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维在制备防护装甲上的应用。
综上，本发明提供了一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法及应用，该制备方法在UHMWPEF冻胶原丝制备中通过添加石墨烯进行纤维性能的一次改性，又在UHMWPEF原生丝中加入聚异氰酸酯交联剂进行二次改性，再采用氧气等离子体处理并结合其它工艺过程，在增强纤维强度性能的同时改善其蠕变性能。最终获得的纤维具有高强度、低蠕变的优异性能，其中断裂强度不低于42g/d，蠕变伸长率不高于3％，可以应用在防护装甲上并提升其防护效果。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的聚乙烯纤维的实物图。
图2为采用本发明的聚乙烯纤维制备的防弹背心的实物图。
图3为图2的防弹背心进行防弹测试的实物图。
图4为采用本发明的聚乙烯纤维制备的硬质插板的实物图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
本实施例提供一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将超高分子量聚乙烯粉、石墨烯、溶剂油、抗氧剂和乳化剂混合均匀得到纺丝原液，其中石墨烯的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.03％，抗氧剂的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.1％，乳化剂的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.05％，采用冻胶纺丝法获得UHMWPEF冻胶原丝。
步骤2，将UHMWPEF冻胶原丝依次经过预拉伸和三级高温拉伸后萃取；其中所述预拉伸的控制参数为：温度114～116℃，拉伸倍率为7倍；一级高温拉伸的控制参数为：温度116～118℃，拉伸倍率为15倍；二级高温拉伸的控制参数为：温度125～127℃，拉伸倍率为6倍；三级高温拉伸的控制参数为：温度132～134℃，拉伸倍率为4倍。
步骤3，将萃取获得的UHMWPEF原生丝与聚异氰酸酯交联剂在溶剂中混合均匀，进行超声浸渍处理，控制参数为：超声功率为250W，频率为40KHz，时间为15min。
步骤4，将浸渍处理后的原生丝干燥后采用氧气等离子体处理，控制参数为：功率为120W，氧气含量为30％，时间为5min。
步骤5，将氧气等离子体处理后的原生丝再次经过末次高温拉伸，控制参数为：温度134～136℃，拉伸倍率为2倍，即得。图1提供了本实施例获得的超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的实物图。
实施例2
本实施例提供一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将超高分子量聚乙烯粉、石墨烯、溶剂油、抗氧剂和乳化剂混合均匀得到纺丝原液，其中石墨烯的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.05％，抗氧剂的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.08％，乳化剂的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.1％，采用冻胶纺丝法获得UHMWPEF冻胶原丝。
步骤2，将UHMWPEF冻胶原丝依次经过预拉伸和三级高温拉伸后萃取；其中所述预拉伸的控制参数为：温度118～120℃，拉伸倍率为8倍；一级高温拉伸的控制参数为：温度118～120℃，拉伸倍率为12倍；二级高温拉伸的控制参数为：温度128～130℃，拉伸倍率为8倍；三级高温拉伸的控制参数为：温度136～138℃，拉伸倍率为4倍。
步骤3，将萃取获得的UHMWPEF原生丝与聚异氰酸酯交联剂在溶剂中混合均匀，进行超声浸渍处理，控制参数为：超声功率为250W，频率为40KHz，时间为15min。
步骤4，将浸渍处理后的原生丝干燥后采用氧气等离子体处理，控制参数为：功率为120W，氧气含量为30％，时间为5min。
步骤5，将氧气等离子体处理后的原生丝再次经过末次高温拉伸，控制参数为：温度136～138℃，拉伸倍率为2倍，即得。
实施例3
本实施例提供一种超高分子量、低蠕变聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将超高分子量聚乙烯粉、石墨烯、溶剂油、抗氧剂和乳化剂混合均匀得到纺丝原液，其中石墨烯的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.02％，抗氧剂的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.05％，乳化剂的添加量为超高分子量聚乙烯粉的0.02％，采用冻胶纺丝法获得UHMWPEF冻胶原丝。
步骤2，将UHMWPEF冻胶原丝依次经过预拉伸和三级高温拉伸后萃取；其中所述预拉伸的控制参数为：温度110～112℃，拉伸倍率为6倍；一级高温拉伸的控制参数为：温度116～118℃，拉伸倍率为10倍；二级高温拉伸的控制参数为：温度126～128℃，拉伸倍率为7倍；三级高温拉伸的控制参数为：温度135～137℃，拉伸倍率为3倍。
步骤3，将萃取获得的UHMWPEF原生丝与聚异氰酸酯交联剂在溶剂中混合均匀，进行超声浸渍处理，控制参数为：超声功率为250W，频率为40KHz，时间为15min。
步骤4，将浸渍处理后的原生丝干燥后采用氧气等离子体处理，控制参数为：功率为120W，氧气含量为30％，时间为5min。
步骤5，将氧气等离子体处理后的原生丝再次经过末次高温拉伸，控制参数为：温度135～137℃，拉伸倍率为1倍，即得。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于：步骤1中制备纺丝原液未添加石墨烯。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于：步骤2中高温拉伸只有一次。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于：无步骤3的超声浸渍处理过程。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于：无步骤4的氧气等离子体处理过程。
性能测试
将实施例1-3和对比例1-4的聚乙烯纤维进行断裂强度和蠕变伸长率测试，结果如表1所示。
表1实施例和对比例的聚乙烯纤维的性能指标
表1的数据表明，本发明实施例的超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、低蠕变的优异性能，其中断裂强度不低于42g/d，蠕变应变率不高于3％，可以应用在防护装甲上并提升其防护效果(图2～4提供了采用本发明获得聚乙烯纤维制备的防弹背心和硬质插板的实物图)。对比例的数据也进一步表明，石墨烯的加入可以增加聚乙烯纤维的断裂强度，改善蠕变性能，此外，氧气等离子体处理虽然会稍微降低聚乙烯纤维的断裂强度，但对改善蠕变性能有一定的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：聚丙烯基射线屏蔽复合熔喷纤维膜及制备方法