一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，将导热性粉体分散于溶剂油中形成均匀分散液，将溶剂油分散液和催化剂一并加入反应釜中，搅拌条件下，通入保护气体和氢气，将乙烯持续加入反应釜进行於浆聚合，得到UHMWPE树脂；将UHMWPE树脂、稀释剂以及添加剂混合，高剪切乳化操作后形成纺丝原液，将纺丝原液喂入双螺杆挤出机，挤出熔体经喷丝板形成熔体丝条，熔体丝条经水槽冷却形成冻胶纤维，冻胶纤维经溶剂去除、干燥、超倍拉伸后，即得到成品UHMWPE纤维。本发明专利技术通过将聚合物高结晶取向导热与高导热性粉末参杂相结合，大大提升纤维导热性能，纤维导热系数高，导热系数相比UHMWPE提升100倍以上。

A high thermal conductivity UHMWPE fiber and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法
本专利技术涉及高分子材料
，尤其是涉及一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。
技术介绍
热管理对于生产生活有着重要意义，特别是对于电子设备如太阳能电池、发光二极管、芯片和锂电池等，能否快速散热直接影响着它们的使用性能，使用寿命以及安全性。随着对电子设备微型化、便携化、一体化和功能化等更多需求的出现，如何更加高效的散热也面临着重要挑战。与传统的金属、陶瓷或碳基导热材料相比，聚合物导热材料有着柔软、轻质、易加工塑形、耐腐蚀等优点，然而其导热系数较低，导热性能不足的缺陷也急需克服。影响聚合物导热性能的重要因素之一即聚合物分子链的取向，提高聚合物取向结晶度有利于提升聚合物导热性能。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)被称为“二十一世纪的神奇塑料”，具有其它材料不可比拟的优异性能，高强度、耐化学腐蚀、摩擦系数低、导热系数高等，中国专利201580009350.7就公布了一种高导热性高热容量定向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)产品的制备工艺，其通过调节层压和拉伸工艺来直接制备得到高导热性UHMWPE产品。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是世界三大高性能纤维之一，得益于UHMWPE的高分子量和高取向度，UHMWPE纤维拥有极好的力学性能，同时其轻质、防切割、耐磨、导热系数高等特性，使其在军用装备，海工缆绳，民用防护手套以及凉席等领域都有应用。中国专利201420686986.8就利用了UHMWPE纤维的高导热性制备了民用凉席产品。冻胶纺丝得到的聚乙烯纤维柔软、细旦、分子取向度、结晶度高、轴向导热系数高，利用这些特性结合合理的纤维编织或排布方法，高取向UHMWPE纤维可作为高效散热用功能材料或复合材料的良好的基元材料。然而目前的超高分子量聚乙烯的高导热性仍满足不了更为严苛的使用要求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，本专利技术通过将聚合物高结晶取向导热与高导热性粉末参杂相结合，大大提升纤维导热性能，纤维导热系数高达50Wm-1K-1以上，导热系数相比UHMWPE提升100倍以上。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种高导热性超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的制备方法，包含以下步骤：(1)将反应釜加热至反应温度，抽真空，并用保护气体置换，将导热性粉体以超声分散的方式均匀分散于溶剂油中形成均匀分散液，将溶剂油分散液和催化剂一并加入反应釜中，搅拌条件下，加入不参与聚合反应的保护气体和氢气，最后将乙烯持续加入反应釜，控制压力和反应温度，进行於浆聚合，得到UHMWPE树脂；(2)UHMWPE树脂，稀释剂以及添加剂混合并在一定温度下进行高剪切乳化操作后形成纺丝原液。将纺丝液喂入双螺杆挤出机，挤出熔体经喷丝板形成熔体丝条，熔体丝条经水槽冷却形成冻胶纤维；冻胶纤维经溶剂去除，干燥，超倍拉伸后得到成品UHMWPE纤维。所述的导热性粉体包括高导热性金属粉末如：镍粉，铜粉，银粉等；碳基导热性粉末材料如：石墨烯，石墨，碳纳米管，碳粉等；导热性陶瓷粉末如：氧化铝(Al2O3)，二氧化硅(SiO2)，氮化铝(AlN)，氮化硼(BN)，氮化硅(Si3N4)，碳化硅(SiC)等。所述的乙烯、溶剂油和导热粉末的质量比为80～120:80～200:0.1～10，优选地，所述的乙烯、溶剂油和改性添加剂的质量比为80～100:80～120:0.1～5。氢气的浓度影响聚乙烯分子量的大小以及分子量的分布，氢气浓度高时，催化剂活性降低，分子量降低，但分子量分布变窄。根据材料设计需要进行控制氢气浓度，而且氢气还起到与氮气一起用于调节反应压力的作用，优选地，氢气的体积浓度为0.1～99％。所述的溶剂油包括汽油、正庚烷、己烷或异丁烷中的一种或多种。所述的反应釜反应温度为30～80℃。优选的温度为50～70℃。所述的催化剂包括茂金属催化剂、非茂金属催化剂、单活性中心催化剂、铬系催化剂或齐格勒-纳塔催化剂中的一种或多种，所述的齐格勒-纳塔催化剂包括烷基铝/TiCl4催化剂、MgCl2·(RMgCl)x/TiCl4催化剂或MgCl2·(RMgCl)x/钛酸酯类催化剂中的一种或多种，R为1～14个碳原子的烷基，x取值范围为1～4。优选的，催化剂使用单中心催化剂。所述的功能性超高分子量聚乙烯树脂的粘均分子量为80万～1000万，功能性超高分子量聚乙烯树脂颗粒均匀，平均粒径为100～300μm，粒径分布宽度(d90-d10)/d50：0.7～1.8，堆积密度0.3～0.5g/cm3。所述的保护气体为氮气，氦气或氩气中的一种。所述的反应釜搅拌速度为300～1000r/min。所述稀释剂为白油，石蜡油，矿物油，食用油和十氢萘中的一种或多种。所述双螺杆挤出机的直径30～135cm，长径比56～72，螺杆最高温度不高于310℃；纺丝箱体挤出温度为180～250℃；喷丝板的纺丝孔径0.5～1mm，长径比10～30。所述的溶剂去除包括萃取和直接溶剂挥发，萃取剂为沸点较低、与白油互溶的溶剂，萃取剂为汽油、甲苯、二甲苯、碳氢清洗剂或二氯甲烷中的一种或多种。所述的超倍拉伸为多级或分段拉伸，拉伸温度为120℃～142℃，拉伸总倍数不低于30倍。UHMWPE由于其独特的光滑直链分子结构，比普通高聚物呈现出更好的结晶性和分子取向性，聚合物的结晶和取向对于导热系数的影响尤为重要，结晶度越高，取向度越高的聚合物，导热性能越好，而UHMWPE纤维作为一维材料，其内部分子的结晶取向也明显高于其他UHMWPE制品，因此通过冻胶纺丝和超高倍拉伸法制备的高结晶取向的UHMWPE纤维，特别是由单中心催化剂合成的低缠结，高取向UHMWPE树脂制备的纤维，导热系数明显提升。由于导热性填料粉体拥有极佳的导热性能，其参杂对于纤维导热系数的提升大有裨益，然其在纤维基体中的分散性尤为重要，否则粉体团聚难以发挥热传导优势，也会影响纤维的结晶取向。因此本专利技术将UHMWPE纤维高结晶取向导热与高导热性粉末参杂相结合，通过原位聚合法于UHMWPE树脂中参杂导热性粉末，使填料均匀分散，所制备的纤维导热性能大大提升，纤维导热系数高达50Wm-1K-1以上，导热系数相比UHMWPE提升100倍以上。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明，但绝不是对本专利技术的限制。实施例1一种高导热性UHMWPE纤维，其制备采用低压淤浆法，原料质量配比乙烯2900L，溶剂油4300g，进行聚合时，先将反应釜加热至60℃抽真空1h，用清洁干燥氮气置换干净，加入一定量经干燥的正己烷和烷基铝/TiCl4催化剂，启动搅拌1000r/min，加入一定量的氮气和氢气，最后将乙烯持续加入反应釜，控制压力1.4MPa，温度41℃反应4h，聚合结束后，迅速冷却反应器至40℃，滤去溶剂油，得到浆液，干燥浆液得到超高分子量聚乙烯树脂。超高分子量聚乙烯树脂分子量356万，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，该方法为：将反应釜加热至反应温度，抽真空并用不参与聚合反应的保护气体置换，将导热性粉体分散于溶剂油中形成均匀分散液，将溶剂油分散液和催化剂一并加入反应釜中，搅拌条件下，通入保护气体和氢气，将乙烯持续加入反应釜，控制压力和反应温度，进行於浆聚合，得到UHMWPE树脂；/n将UHMWPE树脂、稀释剂以及添加剂混合，并在一定温度下进行高剪切乳化操作后形成纺丝原液，将纺丝原液喂入双螺杆挤出机，挤出熔体经喷丝板形成熔体丝条，熔体丝条经水槽冷却形成冻胶纤维，冻胶纤维经溶剂去除、干燥、超倍拉伸后，即得到成品UHMWPE纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，该方法为：将反应釜加热至反应温度，抽真空并用不参与聚合反应的保护气体置换，将导热性粉体分散于溶剂油中形成均匀分散液，将溶剂油分散液和催化剂一并加入反应釜中，搅拌条件下，通入保护气体和氢气，将乙烯持续加入反应釜，控制压力和反应温度，进行於浆聚合，得到UHMWPE树脂；
将UHMWPE树脂、稀释剂以及添加剂混合，并在一定温度下进行高剪切乳化操作后形成纺丝原液，将纺丝原液喂入双螺杆挤出机，挤出熔体经喷丝板形成熔体丝条，熔体丝条经水槽冷却形成冻胶纤维，冻胶纤维经溶剂去除、干燥、超倍拉伸后，即得到成品UHMWPE纤维。


2.根据权利要求1所述的一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述的导热性粉体选自高导热性金属粉末、碳基导热性粉末或导热性陶瓷粉末中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述的乙烯、溶剂油和导热性粉体的质量比为80～120：80～200：0.1～10。


4.根据权利要求1所述的一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述的氢气的体积浓度为0.1～99％，所述的保护气体为氮气，氦气或氩气中的一种。


5.根据权利要求1所述的一种高导热性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述的溶剂油选自汽油、正庚烷、己烷或异丁烷中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：李济祥，孙勇飞，王新威，郑晗，巩明方，徐绍魁，王萍，
申请(专利权)人：上海化工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31