含有石墨烯的抗切割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含有石墨烯的抗切割UHMWPE复合纤维及其制备方法。该复合纤维表面骨架活性基团增多，提高了纤维表面极性，从而改善了硬质纤维与树脂的浸润性和粘结强度。同时添加少量石墨烯改善其力学性能及表面润滑性，本发明专利技术只对混料方式进行了改进，并不改变传统的冻胶纺丝工艺，生产成本比一般工艺低，性价比高。

Cutting Resistant UHMWPE Composite Fiber Containing Graphene and Its Preparation Method

The invention discloses an anti-cutting UHMWPE composite fiber containing graphene and a preparation method thereof. The surface skeleton active groups of the composite fibers increase, which improves the surface polarity of the fibers, thus improving the wettability and bonding strength of the hard fibers and resins. At the same time, a small amount of graphene is added to improve its mechanical properties and surface lubricity. The invention only improves the mixing mode, does not change the traditional gel spinning process, and has lower production cost and higher cost performance than the general process.

【技术实现步骤摘要】
含有石墨烯的抗切割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，涉及一种含有石墨烯的抗切割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，因其内部结构有较高的结晶度和较强的分子间作用力，使其拥有许多优良的性能如耐磨性、极高的抗冲击性、抗化学药品腐蚀性、以及安全卫生无毒等特性，广泛应用在化工、机械、纺织、造纸、包装、建筑、医疗等领域。超高分子量聚乙烯虽然具有很多优点，但也存在不足。因为分子链较长，缠绕严重，致使它的熔点高，加热后变成粘弹性很高的熔体，不易流动，给加工带来极大的难度，且在一定程度上限制了它在其他领域的应用。为了弥补缺陷和不足，对超高分子量聚乙烯的性能进行适当改进，以提高其熔体流动性、耐热性、抗磨性等。常用的解决方式是不同填料填充对UHMWPE进行改性使之成为复合材料。而传统的无机填料往往采用玻璃微珠、碳化硅、云母、二氧化硅、三氧化铝、炭黑、生物纤维等，其与基体结合力差，在聚合物中分散性不好，且生产的复合纤维会出现掉粉、表面硬度大等问题，手感差，不适宜穿戴。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种含有石墨烯的抗切割UHMWPE复合纤维及其制备方法。本专利技术提供一种表面改性的纳米级SiO2短纤维填充UHMWPE对其进行改性，处理后的纤维表面骨架活性基团增多，提高了纤维表面极性，从而改善了硬质纤维与树脂的浸润性和粘结强度。同时添加少量石墨烯改善其力学性能及表面润滑性，本专利技术只对混料方式进行了改进，并不改变传统的冻胶纺丝工艺，生产成本比一般工艺低，性价比高。本专利技术提供的制备含有石墨烯的抗切割UHMWPE复合纤维的方法，包括：1)将SiO2纳米纤维进行表面化学改性，得到改性后的SiO2短纤维；2)将步骤1)所得改性后的SiO2短纤维于白油A中混合至匀，得到纤维预混液；3)将粒径D99＜4um的石墨烯分散于白油B中，再加入UHMWPE粉，升温至第一温度，待体系不冒泡后升温至第二温度，并保温，得到石墨烯浆料；4)将步骤2)所得纤维预混液和步骤3)所得石墨烯浆料与白油C、UHMWPE粉及抗氧剂搅拌混合，得到纺丝液；5)将步骤4)所得纺丝液进行冻胶纺丝，得到所述含有石墨烯的抗切割UHMWPE复合纤维。上述方法的步骤1)中，所述SiO2纳米纤维的直径为500-700nm；具体可为600nm；长度为30-200μm；具体为30-70μm或50-100μm。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1:3-5：2-4；具体为1:3:4、1:5:2、1:5:4、1:6:3；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2ml/min-5ml/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0.8％-2.2％；具体为1.0％-2.0％；PVP，化学名称为聚乙烯吡咯烷酮，一种非离子型高分子化合物。按其平均分子量大小分为四级，常以K值表示。不同的K值代表相应的PVP平均分子量范围，通常K值越大，粘度越大，粘结性越强。本专利中，PVP特指PVPK30。所述PVP具体为PVPK30；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450℃；焙烧时间为1h-8h；具体为5h；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、乳化机或者气流粉碎机。所述步骤1)表面化学改性步骤包括：将所述SiO2短纤维于无水乙醇中与改性剂进行反应，反应完毕后静置而得；具体的，所述无水乙醇的用量为无水乙醇：SiO2纤维的质量比为3:1-10:1；具体为5:1-6:1。所述改性剂具体为硅烷偶联剂；具体为KH-550、KH-560、KH-570、KH-580、KH-151、KH-171、KH-792中的一种；KH-550：化学名称为γ-氨丙基三乙氧基硅烷，外观为无色透明液体。含量≥98.0％，密度为0.938～0.942(25℃g/cm3)，折光率(nD25)为1.419～1.421，沸点为217℃。分子中含有两种不同的活性基因氨基和乙氧基，用来偶联有机高分子和无机填料，增强其粘结性，提高产品的机械、耐水、抗老化等性能。KH-560：化学名称为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，易溶于多种溶剂，水解后释放甲醇，固化后形成不溶的聚硅氧烷。外观为无色透明液体，含量≥98.0％，密度为1.065～1.072(25℃g/cm3)，折光率(nD25)为1.426～1.427，沸点为290℃。作为无机填料表面处理剂，广泛应用于陶土、滑石粉、硅灰石、硅石白炭黑、石英、铝粉、铁粉。KH-570：化学名称为γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，易溶于多种有机溶剂中，易水解，缩合形成聚硅氧烷，过热、光照、过氧化物存在下易聚合。含量≥97.0％，密度为1.035～1.045(25℃g/cm3)，折光率(nD25)为1.428～1.429，沸点为255℃。用于玻纤浸润处理，可提高玻纤增强复合材料湿态的机械强度和电气性能。KH-151：化学名称为乙烯基三乙氧基硅烷，无色透明液体，含量≥98.0％，密度为0.90～0.904(25℃g/cm3)，折光率(nD25)为1.395～1.400，沸点为161℃。兼有偶联剂和交联剂的作用，适用的聚合物类型有聚乙烯、聚丙烯不饱和聚酯等，常用于玻纤、塑料、玻璃、电缆、陶瓷、橡胶等，还可用作室温硫化硅橡胶的交联剂。KH-171：化学名称为乙烯基三甲氧基硅烷，无色透明液体，含量≥98.0％，密度为0.965～0.975(25℃g/cm3)，折光率(nD25)为1.390～1.392，沸点为123℃。用途：用作偶联剂，适用的聚合物类型有聚乙烯、聚丙烯不饱和聚酯等。常用于玻纤、塑料、玻璃、电缆、陶瓷、橡胶等。KH-580：化学名称为γ-巯丙基三甲氧基硅烷，淡黄色透明液体，含量≥96.0％，密度为1.055～1.065(25℃g/cm3)，折光率(nD25)为1.435～1.445，沸点为219℃。常用于处理SiO2、炭黑等无机填料，在橡胶、硅橡胶等聚合物中起活化剂、偶联剂、交联剂、补强剂的作用。KH-792：化学名称为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，无色或微黄色透明液体，含量≥98.0％，密度为1.015～1.025(25℃g/cm3)，折光率(nD25)为1.441～1.445，沸点为259℃。为双氨基硅烷，是一种优良的玻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备含有石墨烯的抗切割UHMWPE复合纤维的方法，包括：1)将SiO2纳米纤维进行表面化学改性，得到改性后的SiO2短纤维；2)将步骤1)所得改性后的SiO2短纤维于白油A中混合至匀，得到纤维预混液；3)将粒径D99＜4um的石墨烯分散于白油B中，再加入UHMWPE粉，升温至第一温度，待体系不冒泡后升温至第二温度，并保温，得到石墨烯浆料；4)将步骤2)所得纤维预混液和步骤3)所得石墨烯浆料与白油C、UHMWPE粉及抗氧剂搅拌混合，得到纺丝液；5)将步骤4)所得纺丝液进行冻胶纺丝，得到所述含有石墨烯的抗切割UHMWPE复合纤维。

【技术特征摘要】
1.一种制备含有石墨烯的抗切割UHMWPE复合纤维的方法，包括：1)将SiO2纳米纤维进行表面化学改性，得到改性后的SiO2短纤维；2)将步骤1)所得改性后的SiO2短纤维于白油A中混合至匀，得到纤维预混液；3)将粒径D99＜4um的石墨烯分散于白油B中，再加入UHMWPE粉，升温至第一温度，待体系不冒泡后升温至第二温度，并保温，得到石墨烯浆料；4)将步骤2)所得纤维预混液和步骤3)所得石墨烯浆料与白油C、UHMWPE粉及抗氧剂搅拌混合，得到纺丝液；5)将步骤4)所得纺丝液进行冻胶纺丝，得到所述含有石墨烯的抗切割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500-700nm；长度为30-200μm；具体为50-100μm。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1:3-5：2-4；具体为1:3:4、1:5:2、1:5:4、1:6:3；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2ml/min-5ml/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0.8％-2.2％；具体为1.0％-2.0％；所述PVP具体为PVPK30；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450℃；焙烧时间为1h-8h；具体为5h；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、乳化机或者气流粉碎机。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1)表面化学改性步骤包括：将所述SiO2短纤维于无水乙醇中与改性剂进行反应，反应完毕后静置而得；具体的，所述无水乙醇的用量为无水乙醇：SiO2纤维的质量比为3:1-10:1；具体为5:1-6:1。所述改性剂具体为硅烷偶联剂；具体为KH-550、KH-560、KH-570、KH-580、KH-151、KH-171、KH-792中的一种；所述改性剂的添加量为无水乙醇质量的5-30％；具体为10-20％。所述反应步骤中，时间为1-24h；具体为6-8h；温度为常温；所述静置步骤中，温度为常温。5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，改性后的SiO2短纤维在所述纤维预混液的质量分数为20％-25...

【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