抗切割UHMWPE复合纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗切割UHMWPE复合纤维及其制备方法。本发明专利技术采用静电纺丝技术，结合正硅酸乙酯(TEOS)溶胶‑凝胶法，制备出直径在500nm的功能性SiO2短纤维，并将其与UHMWPE纤维复合，得到防切割性接近或达到美标5级的高强度复合纤维。与传统的SiO2粉体材料相比，SiO2短纤维在基体中添加量较少，排列有序且紧密，抗切割性能提升较高，有更大的附加价值。

Cutting Resistant UHMWPE Composite Fiber and Its Preparation Method

The invention discloses an anti-cutting UHMWPE composite fiber and a preparation method thereof. The present invention adopts electrospinning technology, and combines with ethyl orthosilicate (TEOS) sol gel method to prepare functional SiO2 short fiber with diameter of 500nm, and is combined with UHMWPE fiber to obtain high strength composite fiber whose cutting resistance is close to or reaches 5 grade of American Standard. Compared with traditional SiO 2 powder materials, the addition of SiO 2 staple fibers in the matrix is less, the arrangement is orderly and compact, and the anti-cutting performance is improved, so it has greater added value.

【技术实现步骤摘要】
抗切割UHMWPE复合纤维及其制备方法
本专利技术属于高性能纤维领域，涉及一种抗切割UHMWPE复合纤维及其制备方法。
技术介绍
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是指相对分子质量在100万以上的粉状超高分子量聚乙烯为原料，该纤维取向度高、结晶度高、模量高、密度低，具有优良的耐紫外线辐射、耐磨损、耐化学腐蚀、抗冲击性等性能。但其分子结构的缺陷及非极性性质，导致该纤维在应力作用下容易发生大分子间滑移，产生蠕变；耐温性较差，在120℃环境下使用4h后，强度和模量仅仅为初始强度及模量的50％；另外，分子链上无极性基团，表面光滑，导致界面粘结性能差。上述缺陷，限制了其在诸多重要领域的应用。因此对UHMWPE纤维进行改性，提高其综合性能已成为当前的研究热点。传统的增强增韧方法是添加无机填料(玻璃微珠、碳化硅、云母、二氧化硅、三氧化铝、炭黑等)对UHMWPE进行填充改性。但是在UHMWPE纤维生产工艺中时，添加大量的无机填料会造成纺丝浆料粘稠度过高，易造成纺丝堵孔现象，导致纺丝工艺无法连续进行。
技术实现思路
本专利技术基于目前UHMWPE纤维日益剧烈的市场需求及迫切的技术突破，提供一种抗切割UHMWPE复合纤维及其制备方法。本专利技术采用静电纺丝技术，结合正硅酸乙酯(TEOS)溶胶-凝胶法，制备出直径在500nm的功能性SiO2短纤维，并将其与UHMWPE纤维复合，得到防切割性接近或达到美标5级的高强度复合纤维。与传统的SiO2粉体材料相比，SiO2短纤维在基体中添加量较少，排列有序且紧密，抗切割性能提升较高，有更大的附加价值。正硅酸乙酯的水解缩合反应分三步：1、单体聚合成初次粒子：正硅酸乙酯水解形成羟基化的产物和相应的醇；2、粒子增长：硅酸之间或硅酸与正硅酸乙酯之间发生缩合反应形成胶体状态的混合物；3、粒子聚集：形成的低聚合物继续聚合交联成硅三维网络结构，反应过程如下：本专利技术提供一种纳米级SiO2短纤维填充UHMWPE对其进行改性，如附图1所示，制备的纳米级SiO2短纤维可以和聚乙烯树脂形成有效牢固的界面结合，SiO2纤维沿着拉丝方向有序排列，紧密镶嵌在树脂基体中(如图2和图3所示)，从横截面形貌(如图4所示)可以看出，复合纤维丝表面光滑、质地均匀，没有掉粉现象，一定程度上改善了传统无机填料在聚合物基体中分散不均、排列不规整的问题，且提高了复合纤维的抗切割性能，防切割性接近或达到美标5级。本专利技术提供的制备抗切割UHMWPE复合纤维的方法，包括：1)制备SiO2纳米纤维；2)将步骤1)所得SiO2纳米纤维于溶剂A中混合至匀，得到纤维预混液；3)将步骤2)所得纤维预混液与溶剂B、UHMWPE粉及抗氧剂搅拌混合，得到纺丝液；4)将步骤3)所得纺丝液进行冻胶纺丝，得到所述抗切割UHMWPE复合纤维。所述步骤1)中，所述SiO2纳米纤维的直径为300-500nm；长度为30-200μm；具体为30-70μm。所述步骤1)中，所述SiO2纳米纤维按照如下方法制得：将TEOS、乙醇、水混匀回流后，加入醋酸与盐酸混合溶液，调节混合溶液的pH值后得到前驱体溶液，再加入PVP，得到纺丝液；所述TEOS代表正硅酸乙酯；再将所述纺丝液进行静电纺丝，收集所得纤维丝焙烧粉碎而得；具体的，所述TEOS、乙醇和水的摩尔比为1:2-5：4-8；具体为1:2:4、1:4:6、1:5:8、1:3.8:6.4；所述回流步骤中，回流温度为60℃-80℃，具体为70℃；回流时间为30min-2h，具体为1-2h；所述醋酸与盐酸混合溶液中，醋酸与盐酸的摩尔比为1:10-1:20；具体为1:18；所述加入醋酸与盐酸混合溶液步骤中，加入方式为匀速加入；所述匀速加入步骤中，加入速率为1ml/min-10ml/min；调节混合溶液的pH值步骤中，调节后混合溶液的pH值为1-3；具体为2；所述PVP的质量占所述前驱体溶液的0.6％-2.0％；具体为0.6％-1.0％；所述静电纺丝步骤中，静电纺丝的条件为：电压为15-17kV；具体为16kV；接收距离为18-22cm；具体为20cm；注射速度为1-2mL/h；具体为1.5mL/h；所述焙烧步骤中，焙烧温度为300-600℃；具体为500℃；焙烧时间为1h-6h；具体为2h；所述粉碎步骤中，粉碎方式为研磨分散；所用设备为三辊研磨机或乳化机。所述步骤2)中，所述溶剂A为正庚烷、环己烷、石蜡油、植物油、矿物油、白油中的一种或几种；所述溶剂A的粘度为100-300mPa.s；所述SiO2纳米纤维在所述纤维预混液中的质量分数为5％-10％；具体为8％；所述混合步骤中，搅拌速度为500rpm-2000rpm；具体为1000rpm。所述步骤3)中，所述溶剂B为正庚烷、环己烷、石蜡油、植物油、矿物油、白油中的一种或几种；所述UHMWPE粉的粘均分子量为(2-6)*106g/mol；具体为(4-5)*106g/mol；所述UHMWPE是一种线型结构的热塑性工程塑料，具有一般高密度聚乙烯所不能比拟的一系列优异性能，其具有拉伸强度、耐磨性、耐冲击性、自润滑性、消音性能和优良的化学耐药性、热性能、不粘性的特征。所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂164、抗氧剂DNP、抗氧剂DLTP、抗氧剂TNP中的一种或几种；所述抗氧剂占复合纤维的0.05％～0.5％；具体为0.1％～0.4％；所述UHMWPE粉与所述溶剂B的质量比为6-8：93；具体为7:93；所述搅拌步骤中，搅拌速率为1000rpm-2000rpm；具体为1500rpm。所述步骤4)中，冻胶纺丝的步骤包括：将所述纺丝液在溶胀釜中110℃保温2h后，经过储料釜、喂料釜、双螺杆挤出机混合成熔融状态，再经计量泵控制流量从喷丝组件挤出，然后经10℃水浴骤冷得到冻胶丝，室温静置平衡24h后，经初级拉伸、萃取、干燥、牵伸，而得；具体的，所述双螺杆挤出机长径比为68；所述计量泵控制的流量为24rpm；所述萃取的温度为40℃，温差≤±1℃；所述牵伸为热牵伸；具体为3级超倍热牵伸；牵伸的温度为140℃-146℃。另外，上述方法制备得到的抗切割UHMWPE复合纤维及该抗切割UHMWPE复合纤维在制备耐切割产品中的应用，也属于本专利技术的保护范围。具体的，所述抗切割UHMWPE复合纤维由SiO2纤维、抗氧剂和UHMWPE组成；其中，所述SiO2纤维占复合纤维的2wt％-8wt％；具体为5wt％-8wt％；抗氧剂占复合纤维的0.05％～0.5％；具体为0.1％～0.4％；余量为所述UHMWPE；所述含有石墨烯的抗切割UHMWPE复合纤维的抗切割性能不低于美标A4级。所述耐切割产品为耐切割手套。与传统的增强增韧材料相比，SiO2纳米纤维具有较大的长径比以及在基体中可有序排列，本专利技术采用溶胶凝胶-静电纺丝方法制备出纳米级SiO2纤维，并将填充在UHMWPE中进行改性，可有效提升复合纤维的切割性能。本专利技术制备的复合纤维的制备方法简单，可操控性强，制备的复合纤维强度高，韧性好，充分满足纺织工艺的需求，可用于耐切割手套领域。附图说明图1为本专利技术方法所得复合纤维丝的表面及横截面SEM表征(200×)；图2是本专利技术方法所得复合纤维丝的表面及横截面SEM表征(2000×)；图3是本专利技术方法所得复合纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备抗切割UHMWPE复合纤维的方法，包括：1)制备SiO2纳米纤维；2)将步骤1)所得SiO2纳米纤维于溶剂A中混合至匀，得到纤维预混液；3)将步骤2)所得纤维预混液与溶剂B、UHMWPE粉及抗氧剂搅拌混合，得到纺丝液；4)将步骤3)所得纺丝液进行冻胶纺丝，得到所述抗切割UHMWPE复合纤维。

【技术特征摘要】
1.一种制备抗切割UHMWPE复合纤维的方法，包括：1)制备SiO2纳米纤维；2)将步骤1)所得SiO2纳米纤维于溶剂A中混合至匀，得到纤维预混液；3)将步骤2)所得纤维预混液与溶剂B、UHMWPE粉及抗氧剂搅拌混合，得到纺丝液；4)将步骤3)所得纺丝液进行冻胶纺丝，得到所述抗切割UHMWPE复合纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述SiO2纳米纤维的直径为300-500nm；长度为30-200μm；具体为30-70μm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述SiO2纳米纤维按照如下方法制得：将TEOS、乙醇、水混匀回流后，加入醋酸与盐酸混合溶液，调节混合溶液的pH值后得到前驱体溶液，再加入PVP，得到纺丝液；所述TEOS代表正硅酸乙酯；再将所述纺丝液进行静电纺丝，收集所得纤维丝焙烧粉碎而得；具体的，所述TEOS、乙醇和水的摩尔比为1:2-5：4-8；具体为1:2:4、1:4:6、1:5:8、1:3.8:6.4；所述回流步骤中，回流温度为60℃-80℃，具体为70℃；回流时间为30min-2h，具体为1-2h；所述醋酸与盐酸混合溶液中，醋酸与盐酸的摩尔比为1:10-1:20；具体为1:18；所述加入醋酸与盐酸混合溶液步骤中，加入方式为匀速加入；所述匀速加入步骤中，加入速率为1ml/min-10ml/min；调节混合溶液的pH值步骤中，调节后混合溶液的pH值为1-3；具体为2；所述PVP的质量占所述前驱体溶液的0.6％-2.0％；具体为0.6％-1.0％；所述静电纺丝步骤中，静电纺丝的条件为：电压为15-17kV；具体为16kV；接收距离为18-22cm；具体为20cm；注射速度为1-2mL/h；具体为1.5mL/h；所述焙烧步骤中，焙烧温度为300-600℃；具体为500℃；焙烧时间为1h-6h；具体为2h；所述粉碎步骤中，粉碎方式为研磨分散；所用设备为三辊研磨机或乳化机。4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述溶剂A为正庚烷、环己烷、石蜡油、植物油、矿物油、白油中的一种或几...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧崇华，周洁，张明，王咸华，
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