一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。本发明专利技术纤维包括高分子量聚乙烯纤维基层、附于基层表面的多巴胺活化层和呈片层展开状态贴附于多巴胺活化层表面的部分还原石墨烯层。本发明专利技术通过优选氧化石墨烯的分散介质及分散液浓度、还原剂种类和浸渍次数，得到轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维。利用部分还原石墨烯的特性：1)碳氧原子比，适量的含氧基团能够保证部分还原石墨烯与多巴胺改性后的纤维发生足够强的相互作用，同时提供足够的导电性；2)片层层数，影响其在纤维上的稳定吸附；3)片层平面尺寸，影响片层在纤维表面的涂覆，以及导电通路。

【技术实现步骤摘要】
一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法
本专利技术属于高分子材料
，涉及一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。
技术介绍
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与碳纤维、芳纶纤维并称为世界三大高性能纤维，在国防工业和防护装备领域至关重要。UHMWPE纤维除具有极高的强度、模量外，其密度较低(约为0.97g/cm3)，是唯一可漂浮于水面之上的高性能纤维，同时具有抗冲击、耐腐蚀、耐磨损等优异性能。然而，由于UHMWPE纤维的介电常数低(2.4)、电阻高(＞1014Ω)，在应用时抗静电性能较差。UHMWPE纤维呈高度化学惰性，表面极度光滑，对其进行改性也是本领域的重大难题之一。抗静电涂层型纤维是指以纤维为基体，通过涂覆固化在纤维表面吸附一层导电填料的纤维。传统的导电涂层类型主要为金属(如银、铜、镍等)，但金属涂层往往使纤维密度增大，由此带来单位资源效益低等缺点。公开号为CN102277728的中国专利技术专利采用银(密度为10.49g/cm3)为导电粒子，以银氨溶液为镀银液，在镀银前将纤维进行去浆和表面活化处理，最终得到一种可导电的UHMWPE纤维，其中当线电阻约为0.15Ω/cm时，纤维密度从处理前的0.97g/cm3变为处理后的约1.92g/cm3(密度增加约95％)。公开号为CN1693576的中国专利技术专利以镍、铜为导电粒子，对织物去油、粗化、去膜、敏化、活化等前处理后，进行一次化学镀镍、电镀铜和二次化学镀镍或者电镀镍，通过工艺参数的调整得到一种高性能的电磁屏蔽用导电涤纶织物，该织物表面电阻为0.03Ω/□，导电织物面密度从55g/cm2增加到111g/cm2(密度增加约102％)。为了从较少的资源中获得同样甚至更高的效益，开发轻质抗静电纤维就显得十分有意义。而石墨烯作为一种新型碳纳米超轻材料，具有较低的密度(按石墨计：2.25g/cm3)、极大的比表面积(2363m2/g)、极好的导电性(6×103S/cm)及极快的电子转移速率(2×105cm2/Vs)，是一种出色的二维纳米导电材料。将石墨烯用作导电涂层使用时，可在最小限度改变材料密度的前提下，获得导电性的巨大提升。公开号为CN102926207的中国专利技术专利采用浸染技术制备的导电织物及其制备方法和应用中，将织物进行碱液处理、预处理、助染剂浸泡和石墨烯水分散液浸渍，在超声作用下将导电粒子吸附到织物表面，该织物中石墨烯的质量百分比为3.5％，织物由绝缘变为电导率为3.6×102S/cm。公开号为CN103966844的中国专利技术专利提供了一种石墨烯导电复合纤维的制备方法，将涤纶(或棉或粘胶)纤维使用硅烷偶联剂表面活化处理后，浸入到含有分散剂的石墨烯水溶液中(质量浓度为0.1％～5％)，烘干后复合纤维中石墨烯含量为1％～3％，石墨烯复合纤维的电阻率为10～105Ω·m，比常规纤维电阻率(～1014Ω·m)降低十几个数量级。对比金属涂层与石墨烯涂层对于纤维或织物导电性能的改善程度，不难发现，石墨烯可在相同增重条件下更加利于材料导电性能的提升，因而石墨烯是制备轻质抗静电材料的优选。但又由于石墨烯的化学惰性和层间范德华力作用，引起片层间难剥离且涂层易脱落现象，严重阻碍了其导电纳米材料优势的发挥。特别是将石墨烯应用于UHMWPE纤维的表面处理时，由于UHMWPE纤维呈高度化学惰性，表面极度光滑，造成石墨烯片层很难在UHMWPE纤维表面呈均匀分布和紧密结合。因此，急需研究新的材料体系和方法以解决上述问题，并以经济可行的方式生产出轻质抗静电UHMWPE纤维。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维。所述轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维包括高分子量聚乙烯纤维基层、多巴胺活化层和部分还原石墨烯层(也可以称为石墨烯抗静电层)；其中多巴胺活化层贴附于基层表面，部分还原石墨烯层呈片层展开状态贴附于多巴胺活化层表面。所述的轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维的密度为0.97～1.03g/cm3，直径为15～25μm，强度为30～40cN/dtex，模量为800～1600cN/dtex，断裂伸长率为2.5％～4.5％，表面电阻率为103～1010Ω/cm，表面碳氧原子比为4∶1～10∶1；(此处的表面碳氧原子比指代UHMWPE+多巴胺+石墨烯的碳氧原子比)；所述的多巴胺活化层质量含量为0.01％～1.0％，碳氧原子比为4∶1～6∶1；所述的部分还原石墨烯层的质量含量为0.1％～5％，碳氧原子比5∶1～10∶1，片层表面尺寸为0.1～2μm，片层层数为1～10层；所述的部分还原石墨烯层与多巴胺活化层的质量比为500∶1～0.1∶1；所述的轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维在室温下的水中超声清洗2h后，其表面电阻率为清洗前的1～100倍。本专利技术的第二个目的是提供一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，该方法的具体步骤是：步骤(1)、氧化石墨烯分散液的配制：常温下将氧化石墨烯粉末加入到分散介质中，先机械搅拌20～30min，搅拌速率为500～800r/min，再在冰水浴中超声处理20～40min，得到均匀稳定的氧化石墨烯分散体系；其中氧化石墨烯粉末为分散介质重量的0.01％～1％。所述的氧化石墨烯的碳氧原子比为2∶1～4∶1，片层表面尺寸为0.1～2μm，片层层数为1～10层；所述的分散介质为水、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或两种的混合物；作为优选，所述氧化石墨烯为分散介质重量的0.05％～0.5％；作为优选，所述的氧化石墨烯分散介质的pH值为8～12；步骤(2)、UHMWPE纤维的清洗：在室温下将UHMWPE纤维在溶剂中超声清洗0.5～1.5h，取出干燥后待用；所述的溶剂为乙醇、丙酮和四氢呋喃中的一种或两种的混合物；所述的UHMWPE纤维的分子量为100～300万，密度为0.97g/cm3，直径为15～25μm，强度为30～40cN/dtex，模量为800～1600cN/dtex，断裂伸长率为2.5％～4.5％，表面电阻率为1012～1016Ω/cm；表面碳氧原子比为10∶1～1000∶1；作为优选，UHMWPE纤维的直径为20～23μm，表面碳氧原子比为100∶1～1000∶1；步骤(3)、活化纤维的制备：在pH为8～11的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲溶液中加入多巴胺，得到多巴胺溶液；再在上述多巴胺溶液中加入步骤2处理后的纤维，静置反应8～24h，洗涤干燥后得到多巴胺活化UHMWPE纤维；所述的多巴胺为儿茶酚胺类或二苯醌类化合物中的一种或两种的混合物，结构式如(1)，其中R为带有氨基基团的-(CHy)x-NH2或-(CHy)x-NH-(CHq)p-CH3或-(CH2)x-NH-(CO)x-(CH2)P-CH3或-(CH2)x-NH-(CO)x-(CH2)P-C6H5或-(CH2)x-NH2或-(CHy)x-N(CHj)h-(CHq)p-(CH3)e或-CHOH-NH-(CH2)p-CH3或-CHOH-(CH2)x-NH2，其中x为1～99的自然数，p、h为0～99的自然数，y、q、e为1或2，j为1、2或3；作为优选，R为n为1～10的自然数；作为优选，所述Tris-HC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维，密度为0.97～1.03g/cm

【技术特征摘要】
1.一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维，密度为0.97～1.03g/cm3，直径为15～25μm，强度为30～40cN/dtex，模量为800～1600cN/dtex，断裂伸长率为2.5％～4.5％，表面电阻率为103～1010Ω/cm，表面碳氧原子比为4:1～10:1，其特征在于包括超高分子量聚乙烯纤维基层、多巴胺活化层和部分还原石墨烯层；其中多巴胺活化层贴附于基层表面，部分还原石墨烯层呈片层展开状态贴附于多巴胺活化层表面；所述的部分还原石墨烯层的质量含量为0.1～5％，碳氧原子比为5:1～10:1，片层表面尺寸为0.1～2μm，片层层数为1～10层。2.如权利要求1所述的一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于所述的多巴胺活化层质量含量为0.01～1.0％，碳氧原子比为4:1～6:1；所述的部分还原石墨烯层与多巴胺活化层的质量比为500:1～0.1:1。3.如权利要求1所述的一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤是：步骤(1)、氧化石墨烯分散液的配制：常温下将氧化石墨烯粉末加入到分散介质中，先机械搅拌20～30min，搅拌速度为500～800r/min，再在冰水浴中超声处理20～40min，得到均匀稳定的氧化石墨烯分散体系；步骤(2)、UHMWPE纤维的清洗：在常温下将UHMWPE纤维在溶剂中超声清洗0.5～1.5h，取出干燥后待用；步骤(3)、活化纤维的制备：在pH为8～11的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲溶液中加入多巴胺，得到多巴胺溶液；再在上述多巴胺溶液中加入步骤(2)处理后的纤维，静置反应8～24h，洗涤干燥后得到多巴胺活化UHMWPE纤维；步骤(4)、轻质抗静电UHMWPE的制备：将步骤3得到的活化纤维浸入到步骤(1)得到的氧化石墨烯分散体系中，再加入还原剂，在50～95℃下以100～500r/min的转速搅拌1～5h，然后将纤维洗涤干燥，重复此浸渍还原过程2～10次，得到部分还原石墨烯涂覆超高分子量聚乙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，刘明巧，王魁，宋长远，周旭峰，刘兆平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33