石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括：准备玻璃纤维预混液：将玻璃纤维分散于第一白油中，得到玻璃纤维预混液；准备石墨烯浆料：将石墨烯分散在第二白油中，得到石墨烯浆料；制备纺丝混合液：将玻璃纤维预混液、石墨烯浆料、UHMWPE粉、抗氧剂混合于第三白油中，得到纺丝混合液；纺丝混合液经溶胀、混合后形成熔融状态，将熔融状态的纺丝混合液挤出；再冷却形成冻胶丝；和将冻胶丝制得石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维。本发明专利技术公开的方法不仅可以解决在超高分子量聚乙烯的粘弹性高的情况下，玻璃纤维分散性差的难题，而且在保证纱线的柔性基础上，有效提高了UHMWPE纤维的耐切割性能。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法
本专利技术涉及一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，属于高性能纤维

技术介绍
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维，也称超高强度聚乙烯(UHMWPE)纤维、超高模量聚乙烯(UHMWPE)纤维。由于UHMWPE有无可匹敌的超高拉伸强度，因此可通过凝胶纺丝法制得超高弹性模量和强度的纤维，其拉伸强度高达3～3.5GPa，拉伸弹性模量高达100～125GPa；纤维强度是迄今已商品化的所有纤维中最高的，比碳纤维大4倍，比钢丝大10倍，比芳纶纤维大50％。其被广泛应用于军事装备、航空航天、海洋作业、体育器材等领域。从提高纤维耐切割性能考虑的专利有CN102828312A、JP2004-19050、WO2008/046476、CN102037169A等，其中多利用高分子量聚乙烯、高对称结构聚酰胺等高强纤维与无机金属或玻璃纤维包覆的方式，但因加入无机金属、玻璃纤维等硬质材料而导致体感变硬、佩戴无舒适感。而石墨烯具有良好的力学性能及自润滑性，可包覆在硬质材料表面，增加其润滑性，弥补其不足。经试验，如果在纺丝混合液过程中直接加入石墨烯粉末，会造成石墨烯大量团聚，其中的石墨烯颗粒粒径分布广，尺寸较大，团聚严重，很难与白油形成有效的界面结合，得到分散性很差的纺丝混合液，且纺丝混合液中石墨烯分散均匀稳定性差，货架期较短。而复合材料中，增强相在基体中的分散对材料的性能有着至关重要的影响。现有技术中所列明的
技术实现思路
仅代表专利技术人所掌握的技术，并不理所当然被认为是现有技术而用于评价本专利技术的新颖性和创造性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供了一种均匀分散有石墨烯的超高分子量聚乙烯纤维。本专利技术的另一目的是提供上述石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。本专利技术的目的通过以下技术方案来具体实现：一种石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括：准备玻璃纤维预混液：将玻璃纤维分散于第一白油中，得到玻璃纤维预混液；准备石墨烯浆料：将石墨烯分散在第二白油中，得到石墨烯浆料；制备纺丝混合液：将玻璃纤维预混液、石墨烯浆料、UHMWPE粉、抗氧剂混合于第三白油中，得到纺丝混合液；纺丝混合液经溶胀、混合后形成熔融状态，将熔融状态的纺丝混合液挤出；再冷却形成冻胶丝；和将冻胶丝制得石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维。本专利技术公开的内容中，所述第一白油、第二白油、第三白油都是白油，“第一”、“第二”和“第三”不是对白油本身的限定，是为了区分在本专利技术制备方法不同应用之处。根据本专利技术的一个方面，所述玻璃纤维预混液中含有玻璃纤维5-30wt％，优选10-25wt％，最佳25wt％。根据本专利技术的一个方面，所述将玻璃纤维分散于第一白油中的分散方法为:先将玻璃纤维倒入第一白油中预混，再用乳化机高速搅拌至形成均匀的浆料。将玻璃纤维和白油的混合物料通过机械作用迫使其以很大的速度通过狭小的间隙，在流体力学效应的作用下，由于转子高速旋转所产生的高切线速度在转子与定子间的狭窄间隙中形成极大的速度梯度，以及由于高频机械效应带来的强劲动能，使物料在定-转子的间隙中受到强烈的液力剪切、离心挤压、液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用，使不相容的固相、液相在添加助剂的功能作用下，瞬间均匀精细的分散均质，再经过高频的循环往复而使分散相颗粒或者液滴破碎达到均质乳化的目的。根据本专利技术的一个方面，上述方法中，所述高速搅拌的搅拌中速度3000-10000rpm，优选3500rpm；所述高速搅拌的所述搅拌时间为5-60min，优选为10-30min，最佳为15min。根据本专利技术的一个方面，所述玻璃纤维的直径是3-10um，优选5-7um。根据本专利技术的一个方面，所述玻璃纤维的平均长度是30-100um，优选50-70um。根据本专利技术的一个方面，所述玻璃纤维的长度范围是10-600um，优选50-400um。根据本专利技术的一个方面，所述玻璃纤维事先用偶联剂对玻璃纤维进行改性处理后，再制备玻璃纤维预混液。具体处理方法为：将偶联剂溶于无水乙醇中，再加入玻璃纤维混合均匀，浸渍、烘干，经研磨，100目过滤，即可。根据本专利技术的一个方面，所述偶联剂的加入量占玻璃纤维质量的0.1-3％，优选0.2％-2％。根据本专利技术的一个方面，所述玻璃纤维在偶联剂乙醇液中的浸渍时间为10min-5h，优选30min-2h。根据本专利技术的一个方面，所述烘干温度为50℃-180℃，优选80℃-130℃；烘干时间为1h-6h，优选2h-3h。根据本专利技术的一个方面，上述玻璃纤维改性处理方法中，偶联剂为硅烷偶联剂中的一种或两种以上的混合。所述硅烷偶联剂中优选采用A-150、A-151、A-171、KH-550、KH-560、KH-570、KH-580、KH-590、KH-902或KH-792中的一种或两种以上的混合。所述A-150、A-151、A-171、KH-550、KH-560、KH-570、KH-580、KH-590、KH-902或KH-792是硅烷偶联剂的牌号，不同牌号偶联剂的性能是不一样的，这些牌号为国际公认的牌号。硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，其通式为RSiX3，式中R代表与聚合物分子有亲和力或反应能力的活性官能团，如氧基、乙烯基、环氧基、酰胺基、氨丙基等；X代表能够水解的烷氧基，如卤素、烷氧基、酰氧基等。在进行偶联时，首先X基形成硅醇，然后与无机粉体颗粒表面上的羟基反应，形成氢键并缩合成-SiO-M共价键(M表示无机粉体颗粒表面)。同时，硅烷各分子的硅醇又相互缔合齐聚形成网状结构的膜覆盖在粉体颗粒表面，使无机粉体表面有机化。所述偶联剂A-150即乙烯基三氯硅烷，无色液体，溶于有机溶剂，易水解、醇解。分子式为CH2＝CHSiCl3，分子量161.5，沸点90.6℃，密度1.265g/cm3，适用于玻璃纤维表面处理剂和增强塑料层压品的处理剂。所述偶联剂A-151即乙烯基三乙氧基硅烷，分子式为CH2＝CHSi(OCH2CH3)3。可溶于有机溶剂，不溶于pH＝7的水，适用于聚合物类聚乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯等，以及玻璃纤维、塑料、玻璃、电缆、陶瓷等。所述偶联剂A-171即乙烯基三甲氧基硅烷，分子式为CH2＝CHSi(OCH3)3。无色透明液体，密度为0.95-0.99g/cm3，折光率1.38-1.40，沸点为123℃，兼有偶联剂和交联剂的作用，适合的聚合物类型有聚乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯等，常用于玻璃纤维、塑料、玻璃、电缆、陶瓷、橡胶等。所述偶联剂KH-550即γ-氨丙基三乙氧基硅烷，对应牌号A-1100(美国)，密度为0.942g/ml，熔点-70℃，沸点217℃，折射率1.42-1.422，闪点96℃。应用于矿物填充的酚醛、聚酯、环氧、PBT、聚酰胺、碳酸酯等热塑性和热固性树脂，能大幅度提高增强塑料的干湿态抗弯强度，抗压强度，剪切强度等物理力学性能和湿态电气性能，并改善填料在聚合物中润湿性和分散性。所述偶联剂KH-560为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，对应牌号A-187(GE)，多用于多硫化物和聚氨酯的嵌缝胶和密封胶，用于环氧树脂的胶黏剂、填充型或增强型热固性树脂、玻璃纤维或玻璃增强的热塑性树脂等。所述偶联剂KH-570为甲基丙烯酰氧基硅烷，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，包括：准备玻璃纤维预混液：将玻璃纤维分散于第一白油中，得到玻璃纤维预混液；准备石墨烯浆料：将石墨烯分散在第二白油中，得到石墨烯浆料；制备纺丝混合液：将玻璃纤维预混液、石墨烯浆料、UHMWPE粉、抗氧剂混合于第三白油中，得到纺丝混合液；纺丝混合液经溶胀、混合后形成熔融状态，将熔融状态的纺丝混合液挤出；再冷却形成冻胶丝；和将冻胶丝制得石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，包括：准备玻璃纤维预混液：将玻璃纤维分散于第一白油中，得到玻璃纤维预混液；准备石墨烯浆料：将石墨烯分散在第二白油中，得到石墨烯浆料；制备纺丝混合液：将玻璃纤维预混液、石墨烯浆料、UHMWPE粉、抗氧剂混合于第三白油中，得到纺丝混合液；纺丝混合液经溶胀、混合后形成熔融状态，将熔融状态的纺丝混合液挤出；再冷却形成冻胶丝；和将冻胶丝制得石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维。2.根据权利要求1所述的石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述玻璃纤维预混液中含有玻璃纤维5-30wt％，优选10-25wt％，最佳25wt％；进一步优选地，所述将玻璃纤维分散于第一白油中的分散方法为:先将玻璃纤维倒入第一白油中预混，再用乳化机高速搅拌至形成均匀的浆料；优选地，所述高速搅拌的搅拌速度为3000-10000rpm，优选3500rpm；优选地，所述高速搅拌的搅拌时间为5-60min，优选为10-30min，最佳为15min。3.根据权利要求1所述的石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述玻璃纤维的直径是3-10um，优选5-7um；和/或，所述玻璃纤维的平均长度是30-100um，优选50-70um；和/或，所述玻璃纤维的长度范围是10-600um，优选50-400um。4.根据权利要求1所述的石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述玻璃纤维事先用偶联剂对玻璃纤维进行改性处理后，再制备玻璃纤维预混液；具体处理方法为：将偶联剂溶于无水乙醇中，再加入玻璃纤维混合均匀，浸渍、烘干，经研磨，100目过滤；和/或，所述偶联剂的加入量占玻璃纤维总质量的0.1-10％，优选0.2％-5％；和/或，所述玻璃纤维在偶联剂乙醇液中的浸渍时间为10min-5h，优选30min-2h；和/或，所述烘干温度为50℃-180℃，优选80℃-130℃；烘干时间为1h-6h，优选2h-3h；和/或，所述偶联剂为硅烷偶联剂中的一种或两种以上的混合；所述硅烷偶联剂中优选采用A-150、A-151、A-171、KH-550、KH-560、KH-570、KH-580、KH-590、KH-902或KH-792中的一种或两种以上的混合。5.根据权利要求1所述的石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述石墨烯浆料中石墨烯的浓度为1-8wt％，优选2-5wt％；优选地，所述石墨烯浆料按如下方法制得：将石墨烯及分散剂加入第二白油中，经高速剪切机搅拌后，进入砂磨机研磨至石墨烯粒径D99＜7um；进一步优选地，所述高速剪切机搅拌10min；所述砂磨机研磨时研磨介质采用氧化锆珠，优选地，所述氧化锆珠的粒径为0.6-0.8mm；所述砂磨机研磨时的转速为1500-2800rpm；进一步优选地，所述分散剂采用PSS、SDBS、SDS、商用BYK系列、商用AFCONA系列中的一种或两种以上的组合，所述商用AFCONA系列优选采用AFCONA4010、AFCONA4700或AFCONA4701；商用BYK系列优选采用BYK-P104S；进一步优选地，所述分散剂的用量为石墨烯浆料质量的0.1-5％，优选0.2-1％。6.根据权利要求1所述的石墨烯复合超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述石墨烯采用具有单层或多层结构的石墨烯粉末；优选地，所述单层或多层结构的石墨烯的片径为0.5～5um，厚度为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：王咸华，欧崇华，任申东，张明，
申请(专利权)人：江苏恒辉安防股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32