一种超高分子量聚氧化乙烯纤维及其制备方法技术

技术编号:24325798 阅读:27 留言:0更新日期:2020-05-29 18:03
本发明专利技术公开了一种超高分子量聚氧化乙烯纤维及其制备方法。所述制备方法包括:提供包含超高分子量聚氧化乙烯、抗氧剂和纺丝溶剂的纺丝溶液,所述纺丝溶剂包括水、二甲基亚砜、甲醇、四氢呋喃、甲苯、苯、N,N‑二甲基甲酰胺和1,4‑二氧六环等,溶解后超高分子量聚氧化乙烯的分子量较原料保持率在70%以上;采用湿法纺丝法,将所述纺丝溶液注入凝固浴中凝固定型得到冻胶丝,之后进行萃取处理,并干燥,获得超高分子量聚氧化乙烯萃取干燥纤维,再进行热牵伸,获得超高分子量聚氧化乙烯纤维。本发明专利技术的超高分子量聚氧化乙烯纤维力学性能更好、纤维分子量较原料保持率高、分子量高、取向度高,并且制备方法稳定可行,便于大规模生产。

A kind of uhmwpox fiber and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种超高分子量聚氧化乙烯纤维及其制备方法
本专利技术涉及一种聚氧化乙烯纤维,尤其涉及一种超高分子量聚氧化乙烯纤维及其制备方法,属于高分子材料

技术介绍
聚氧化乙烯(PEO),又称聚环氧乙烷,是由环氧乙烷多相催化开环聚合而成的高分子量均聚体。PEO分子链上的氧原子有非共用电子对,对缺电子物质有很强的亲合力;水溶性好,生物相容性好且可生物降解,有非常广泛的应用。例如,PEO可与许多有机低分子化合物、有机聚合物以及某些无机电解质形成络合物,用作聚合物电解质基质材料;与CO2有较强的四角偶极作用,可用于制备气体分离膜等。此外,PEO有较多纺丝方面的研究。例如PEO可与难以纺丝的材料通过氢键复合,以静电纺丝法制备纳米纤维。公开号为CN103706335A的中国专利技术专利将PEO与难以静电纺丝的壳聚糖复合,并加入铁化合物,成功制得复合纳米纤维,可以用于砷化合物的吸附与分离。然而,此方法制备的复合纤维强度很低(<20MPa),难以满足实际使用的需求。PEO也有较多工业化纺丝的探究。日本Toshito等采用熔融纺丝法制备了PEO纤维,发现分子量54万的PEO所制备的纤维强度最高,达0.08GPa;若原料分子量继续增加,相应的加工温度也需升高,导致加工过程中降解非常严重,反而降低了力学性能。公开号为US4619988A的美国专利技术专利用分子量为100万的PEO为原料,二甲苯作溶剂进行溶液纺丝。在35℃~45℃温度范围内,由于流动诱导结晶效应,可促使PEO结晶生长从而制得连续纤维。力学测试表明,该PEO纤维的强度为0.1GPa,模量为0.5GPa。通常,商业编织物要求纤维的强度高于0.4GPa,显然熔融纺丝和溶液纺丝所制备的PEO纤维无法满足这一要求。综上所述,通过静电纺丝、熔融纺丝和溶液纺丝所制备的聚氧化乙烯纤维的强度较低(<0.1GPa),无法满足实际使用的需求。静电纺丝法可制备得到直径纳米级的PEO纤维,但由于溶液浓度低解缠结程度大,纤维取向度很低,强度和模量也很低。熔融纺丝法所能加工的PEO分子量非常有限,若分子量超过100万,所需加工温度超过150℃,导致加工过程中降解非常严重,大大降低了力学性能(强度0.08GPa)。溶液纺丝法的原理是流动诱导结晶。在一定的温度下,PEO溶液在流动场中结晶析出并沿一定的方向生长,从而得到连续的纤维。但是由于纤维的结晶生长速度慢,产量低,无法进行工业化生产;且强度也较低(0.1GPa)。冻胶纺丝法是常用来制备高强纤维的纺丝方法。一般来说,冻胶纺丝法所使用的原料分子量很高,通常在百万以上;而纺丝溶液的浓度则比较低,为半稀溶液,这使得聚合物分子链能够充分伸展,解开缠结。超高的分子量和较低的纺丝浓度为后续牵伸倍数的提高从而制得高强纤维提供了基础。现有的超高分子量聚氧化乙烯冻胶纺丝技术,首先将分子量800万的PEO原料和溶剂PEG按重量比8:92混合并在150℃下机械搅拌30min,随后将该纺丝溶液倒入活塞式挤出机中于140℃下挤出。溶解后,PEO的分子量降到100万以下,降解率高达85%。挤出的纺丝细流于己烷中骤冷,待纺丝结束后取出转移至室温下保存,随后经萃取和热牵伸制备得到成品纤维。美国YaoDonggang课题组用分子量800万的PEO为原料,分子量200的聚乙二醇(PEG)为溶剂,用活塞式挤出机进行冻胶纺丝,所制得的纤维强度为0.66GPa,分子量为65万。与其他纺丝方法相比,该技术方法所制备的PEO纤维强度有所提升,但与理论值相差仍较大,应用范围有限。因此,需要研究新的纺丝体系和工艺,以近一步提升PEO纤维的强度,更好地满足实际使用的需求。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种超高分子量聚氧化乙烯纤维及其制备方法,以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的,本专利技术采用的技术方案包括:本专利技术实施例提供了一种超高分子量聚氧化乙烯纤维的制备方法,其包括:提供包含超高分子量聚氧化乙烯、抗氧剂和纺丝溶剂的纺丝溶液,其中所述纺丝溶剂包括水、二甲基亚砜、甲醇、四氢呋喃、甲苯、苯、N,N-二甲基甲酰胺和1,4-二氧六环中的任意一种或两种以上的组合,所述纺丝溶液中超高分子量聚氧化乙烯的含量为2~10wt%,所述纺丝溶液中溶解后超高分子量聚氧化乙烯的分子量较原料保持率在70%以上;采用湿法纺丝法,将所述纺丝溶液注入凝固浴中凝固定型得到冻胶丝,以萃取剂对所述冻胶丝进行萃取处理,并干燥,获得超高分子量聚氧化乙烯萃取干燥纤维;其中所述湿法纺丝法采用的工艺条件包括:纺丝温度为50~90℃,喷丝头与凝固浴液面之间的垂直距离为1~5cm,凝固浴温度为-25~10℃,喷丝头与凝固浴液面之间施加1~5倍的牵伸;对所述超高分子量聚氧化乙烯萃取干燥纤维进行热牵伸,所述热牵伸的温度为40~70℃,热牵伸的总倍数为5~30倍,获得超高分子量聚氧化乙烯纤维。在一些实施例中,所述制备方法具体包括:将超高分子量聚氧化乙烯、抗氧剂加入纺丝溶剂中,并向所获混合液中通入惰性气体除氧2min以上;于70~150℃对所述混合液进行搅拌预溶解5~300min,再于30~120℃进行恒温震荡5~120h,得到透明均一的纺丝溶液。本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的超高分子量聚氧化乙烯纤维。进一步地,所述超高分子量聚氧化乙烯纤维的直径为10~150μm,强度大于0.1GPa,模量大于0.5GPa,断裂伸长率为50~100%,粘均分子量大于100万,分子量较原料保持率为30%~50%,取向度为80%~98%,优选为95~98%,结晶度为92~98%。与现有技术相比,本专利技术的有益效果在于:1)本专利技术通过选择聚氧化乙烯溶解性更好的溶剂,优化溶解工艺,能够得到均匀的纺丝溶液,溶解后聚氧化乙烯分子量与原料相比保持率高达70%;2)本专利技术通过优化凝固浴种类和凝固浴温度,使冻胶丝充分凝固;通过优化萃取剂的种类,使冻胶丝条中的溶剂充分去除并保持均匀的形态;3)本专利技术通过调节合适的纺丝浓度和喷头牵伸比制备均匀且结构稳定的冻胶丝,能够提升热牵伸倍数;4)本专利技术通过合适的牵伸温度保持了PEO纤维的结晶度,有利于纤维力学性能的提升;5)本专利技术所制备的超高分子量聚氧化乙烯纤维牵伸倍数更低但力学性能更好(强度0.70~1.10GPa)、纤维分子量较原料保持率高(30%~50%)、纤维分子量高(100~300万)、取向度高(80%~98%甚至95%~98%),具有优异的水溶性以及环境友好性,可在较为极端环境下使用;6)本专利技术的制备方法稳定可行,重现性好,技术经济性好,可直接利用现有设备,便于大规模生产。具体实施方式鉴于现有技术中的不足,本案专利技术人经长期研究和大量实践,得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。作为本专利技术技术方案的一个方面,其所涉及的系一种超高分子量聚氧化乙烯纤维的制备方法,其包括:提供包含超高分子量聚氧化乙烯、抗氧剂和纺本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种超高分子量聚氧化乙烯纤维的制备方法,其特征在于包括:/n提供包含超高分子量聚氧化乙烯、抗氧剂和纺丝溶剂的纺丝溶液,其中所述纺丝溶剂包括水、二甲基亚砜、甲醇、四氢呋喃、甲苯、苯、N,N-二甲基甲酰胺和1,4-二氧六环中的任意一种或两种以上的组合,所述纺丝溶液中超高分子量聚氧化乙烯的含量为2~10wt%,所述纺丝溶液中溶解后超高分子量聚氧化乙烯的分子量较原料保持率在70%以上;/n采用湿法纺丝法,将所述纺丝溶液注入凝固浴中凝固定型得到冻胶丝,以萃取剂对所述冻胶丝进行萃取处理,并干燥,获得超高分子量聚氧化乙烯萃取干燥纤维;其中所述湿法纺丝法采用的工艺条件包括:纺丝温度为50~90℃,喷丝头与凝固浴液面之间的垂直距离为1~5cm,凝固浴温度为-25~10℃,喷丝头与凝固浴液面之间施加1~5倍的牵伸;/n对所述超高分子量聚氧化乙烯萃取干燥纤维进行热牵伸,所述热牵伸的温度为40~70℃,热牵伸的总倍数为5~30倍,获得超高分子量聚氧化乙烯纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种超高分子量聚氧化乙烯纤维的制备方法,其特征在于包括:
提供包含超高分子量聚氧化乙烯、抗氧剂和纺丝溶剂的纺丝溶液,其中所述纺丝溶剂包括水、二甲基亚砜、甲醇、四氢呋喃、甲苯、苯、N,N-二甲基甲酰胺和1,4-二氧六环中的任意一种或两种以上的组合,所述纺丝溶液中超高分子量聚氧化乙烯的含量为2~10wt%,所述纺丝溶液中溶解后超高分子量聚氧化乙烯的分子量较原料保持率在70%以上;
采用湿法纺丝法,将所述纺丝溶液注入凝固浴中凝固定型得到冻胶丝,以萃取剂对所述冻胶丝进行萃取处理,并干燥,获得超高分子量聚氧化乙烯萃取干燥纤维;其中所述湿法纺丝法采用的工艺条件包括:纺丝温度为50~90℃,喷丝头与凝固浴液面之间的垂直距离为1~5cm,凝固浴温度为-25~10℃,喷丝头与凝固浴液面之间施加1~5倍的牵伸;
对所述超高分子量聚氧化乙烯萃取干燥纤维进行热牵伸,所述热牵伸的温度为40~70℃,热牵伸的总倍数为5~30倍,获得超高分子量聚氧化乙烯纤维。


2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于具体包括:
将超高分子量聚氧化乙烯、抗氧剂加入纺丝溶剂中,并向所获混合液中通入惰性气体除氧2min以上;
于70~150℃对所述混合液进行搅拌预溶解5~300min,再于30~120℃进行恒温震荡5~120h,得到透明均一的纺丝溶液。


3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述纺丝溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺和/或甲苯;和/或,所述纺丝溶液中超高分子量聚氧化乙烯的含量为3~5wt%;和/或,所述抗氧剂包括[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八烷基酯、N,N-二苯基脲和五硫化胺中的任意一种或两种以上的组合;和/或,所述抗氧剂与超高分子量聚氧化乙烯的质量比为0.05~10:100,优选为0.2~5:100,尤其优选为0.5~2:100。


4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述除氧的时间为2~30min,优选为5~15min;和/或,所述预溶解的时间为10~120min,优选为30~60min;和/或,所述恒温震荡的温度为40~100℃,优选为50~80℃;和/或,所述恒温震荡的时间为12~72h,优选为24~48h;
和/或,所述超高分子量聚氧化乙烯的粘均分子量为400~100...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈鹏苏金鹏
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

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