專利名稱：一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維及其制備方法。
背景技術：
超高分子量聚乙烯具有密度小，耐紫外線，耐腐蝕等穩定的化學性能及突出的抗沖擊、抗切割韌性等優異性能，是目前國際上公認的三大高性能纖維材料之一，是制作軟質防彈服、防刺衣、輕質防彈頭盔、雷達罩、運鈔車防彈裝甲、直升機防彈裝甲、艦艇及遠洋船舶纜繩、輕質高壓容器、航天航空結構件、深海抗風浪網箱、漁網、賽艇、帆船、雪橇等的理想材料。然而，由于超高分子量聚乙烯的分子量較大，高達100萬以上；分子鏈很長，極易發生纏結，流動性較差，難以加工。并且由于超高分子量聚乙烯的大分子結構是線型結構，由亞甲基團組成，分子鏈上無任何極性基團，所以其耐熱性比較差(使用溫度一般低于IO(TC)， 蠕變嚴重，從而限制了超高分子量聚乙烯纖維的應用范圍。如何改變超高分子量聚乙烯纖維的耐熱性和抗蠕變性已成為進一步發展超高分子量聚乙烯纖維的重要課題。目前，改善超高分子量聚乙烯纖維的耐熱性和抗蠕變性的方法主要有以下幾種 一是使纖維自身交聯。使超高分子量聚乙烯纖維自身交聯可分為化學交聯和輻射交
聯。所謂化學交聯，就是在超高分子量聚乙烯加入適當的交聯劑后，在熔融過程中發生交聯，由于超高分子量聚乙烯的分子量很大，不易熔融，且分子鏈上無極性基團，所以化學交聯不易進行，改性的效果并不是很明顯，而且在交聯過程中還會發生降解反應，使超高分子量聚乙烯的性能降低。所謂輻射交聯，是利用高能輻射使分子鏈間產生橫向交聯，它可在一定程度上提高超高分子量聚乙烯纖維的耐熱性和抗蠕變性能，但在交聯的過程中也不可避免的產生斷鏈降解，隨著輻射劑量的增加，降解程度也增加，而且交聯后使纖維的拉伸強度和斷裂伸長有所降低；另外，此工藝過程較為復雜。二是加入中等分子量聚乙烯。在超高分子量聚乙烯中加入中等分子量的聚乙烯， 包括加入低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。雖然LDPE和HDPE的加入會使 UHMffPE的流動性有所改善，但卻使UHMWPE的力學性能降低很多。三是添加無機填充劑。在超高分子量聚乙烯加入適當的無機填充劑，如添加二氧化硅、三氧化鋁、云母、滑石粉、蒙脫土等，加入的填充劑起到結晶成核劑或者物理交聯點的作用，限制了分子的熱運動，可以改善纖維的耐熱性和抗蠕變性，但填充劑同時也成為應力集中點，導致纖維的抗沖擊強度下降。四是與其它高性能纖維混用。將超高分子量聚乙烯纖維與碳纖維、玻璃纖維和 Kevlar纖維混用，也可以改善其耐熱性和抗蠕變性，但由于超高分子量聚乙烯分子鏈上沒有極性基團且表面光滑，不能與混用纖維間形成相容界面，兩組分間不能形成良好的作用力，并且加入這些纖維也會使超高分子量聚乙烯的流動性變差，難以加工。中國專利03115230. 9公開了一種凍膠紡超高分子質量聚乙烯/碳納米管復合纖維及其制備，它是在紡絲溶液中添加經過純化和有機化處理的碳納米管，制得凍膠紡超高分子質量聚乙烯/碳納米管復合纖維，使得復合纖維的耐熱性和抗蠕變性得到改善。但是，
3由于碳納米管價格高昂，使得制備的復合纖維成本較高，并且碳納米管要經過純化和有機化處理，工序繁雜，給工業化生產造成了一定困難。
發明內容
為克服現有技術的不足之處，本發明提供一種超高分子量超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維，以提高超高分量聚乙烯纖維的耐熱性和抗蠕變性，擴大其適用范圍；同時本發明還提供一種上述超高分子量超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，其工藝路線簡潔、易于操作。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是
本發明所述的超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維，由超高分子量聚乙烯和碳黑納米顆粒構成；納米碳素顆粒的含量為纖維總重量的0. 1 5%。上述超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，包括如下步驟
(1)將超高分子質量超高分子量聚乙烯、碳黑納米顆粒和抗氧化劑與投入溶劑中， 經乳化機高速剪切攪拌，混合均勻，得到混合料；
(2)將上述所得混合料升溫至100 120°C，升溫速度控制在2 5°C/min，保溫 1 4小時，得到紡絲溶液；
(3)紡絲溶液采用常規的超高分子量聚乙烯纖維生產方法，制得超高分子量聚乙烯 /碳黑納米復合纖維。 上述步驟(1)中，超高分子量超高分子量聚乙烯、碳黑納米顆粒和抗氧化劑的重量份數為95 99. 8,0. 1 5和0. 1 1份。所說的超高分子量聚乙烯的分子量>2 X 106g/mol。所說的碳黑納米顆粒的直徑為100 lOOOnm。所述的溶劑為白油、石蠟油、十氫化萘、礦物油中的一種或者幾種；溶劑的粘度在 40°C下為 40 IOOCst0所述的抗氧化劑為2，6- 二叔丁基對甲基苯酚或N-苯基- _萘胺。上述步驟(1)中高速剪切攪拌的速度為1000 3000r/min，攪拌時間為0. 5 lh。上述步驟(2)中所述紡絲液的濃度為5% 20%。本發明的有益效果在于所制備的超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維，由于添加了具有優異性能的碳黑納米顆粒，在對超高分子量聚乙烯纖維拉伸的過程中形成一定的取向，比其他改性劑(如無機填充劑和纖維等)與超高分子量聚乙烯復合表現出更好的性能，從而改善超高分子量聚乙烯纖維的耐熱性和抗蠕變性，擴大了纖維的適用范圍；并且由于碳黑納米顆粒較碳納米管價格低廉，大大降低了該纖維的生產成本。同時，本發明所提供的制備方法，其工藝路線簡潔、易于操作。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明進一步說明。實施例1
將重量份數為99. 4份的超高分子量聚乙烯粉末(顆粒度80目，平均分子量為 4. 5 XlOVmol ),0. 5份的碳黑納米顆粒(其粒徑為IOOnm)和0. 1份作為抗氧劑的2，6- 二叔丁基對甲基苯酚，投入900份白油(其粘度在40°C下為50Cst)溶劑中，經乳化機中以1000 轉/分鐘高速剪切攪拌lh，得到均勻的混合料；混合料以2V /min的升溫速度升溫至110°C 后，保溫1小時，得到濃度為10%均勻的紡絲溶液；將紡絲溶液喂入雙螺桿擠出機。雙螺桿擠出機直徑為95mm，L/D=(68),溫度控制在，轉速120轉/min。擠出物經過濾、計量后從噴頭噴出，經過水浴處理后萃取、干燥和熱牽伸，拉伸倍數為60倍，得到超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維。實施例2:
將重量份數為98. 7份的超高分子量聚乙烯粉末(顆粒度90目，平均分子量為4 X IO6g/ mol)、l份的碳黑納米顆粒(其粒徑為300nm)和0. 3份作為抗氧劑的N-苯基- -萘胺，投入900份的作為溶劑的十氫化萘(其粘度在40°C下為70Cst)中，經乳化機中以2000轉/分鐘高速剪切攪拌lh，得到混合均勻的混合料；混合料以3°C /min的升溫速度升溫至100°C 后，保溫4小時，得到濃度為10%紡絲溶液。采用與實施例1相同的方法，將紡絲溶液制得超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維。實施例3
將重量份數為96份的超高分子量聚乙烯粉末(顆粒度100目，平均分子量為3X106g/ mol)、3份的碳黑納米顆粒(其粒徑為500nm)和1份作為抗氧劑的N-苯基- -萘胺，投入 400份的作為溶劑的石蠟油(其粘度在40°C下為SOCst)中，經乳化機中以3000轉/分鐘高速剪切攪拌0.證，得到混合均勻的混合料；混合料以5°C /min的升溫速度升溫至120°C后， 保溫2小時，得到濃度為20%紡絲溶液。采用與實施例1相同的方法，將紡絲溶液制得超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維。實施例4
將重量份數為95份的超高分子量聚乙烯粉末(顆粒度120目，平均分子量為5X106g/ mol)、4.8份的碳黑納米顆粒(其粒徑為100011!11)、0.2份作為抗氧劑的^苯基- -萘胺，投入1900份的作為溶劑的石蠟油(其粘度在40°C下為SOCst)中，經乳化機中以3000轉/分鐘高速剪切攪拌0.證，得到混合均勻的混合料；混合料以4°C /min的升溫速度升溫至120°C 后，保溫1小時，得到濃度為5%紡絲溶液。采用與實施例1相同的方法，將紡絲溶液制得超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維。比較例1
超高分子量聚乙烯粉末(顆粒度80目，分子量為4.5\10、/!1101)，溶劑白油和抗氧劑 2，6-二叔丁基對甲基苯酚，按質量百分比89. 9:10:0. 1配成濃度為10%的懸浮液，在氮氣保護作用下，以2V /min的速率升溫至110°C，同時以60轉/min的速度攪拌，保溫1小時，獲得均勻的紡絲溶液，然后經過側喂料裝置喂入雙螺桿擠出機。雙螺桿擠出機直徑為95mm， L/D=(68),溫度控制在M0°C，轉速160轉/min。擠出物經過濾、計量后從噴頭噴出，經過水浴處理后萃取、干燥和熱牽伸，拉伸倍數為60倍，得到超高分子量聚乙烯纖維。比較例2
采用中國專利03115230. 9記載的實施例1所述方法及其結果。表1 實施例與比較例所述纖維的性能比較表
權利要求
1.一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維，其特征在于由超高分子量聚乙烯和碳黑納米顆粒構成；碳黑納米顆粒的含量為纖維總重量的0. 1 5%。
2.一種實現權利要求1所述的超高分子量聚乙烯/碳黑納米顆粒復合纖維的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)將超高分子質量超高分子量聚乙烯、碳黑納米顆粒和抗氧化劑與投入溶劑中， 經乳化機高速剪切攪拌，混合均勻，得到混合料；(2)將上述所得混合料升溫至100 120°C，升溫速度控制在2 5°C/min，保溫 1 4小時，得到紡絲溶液；(3)紡絲溶液采用常規的超高分子量聚乙烯纖維生產方法，制得超高分子量聚乙烯 /碳黑納米復合纖維。
3.根據要求2所述的一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，其特征在于上述步驟(1)中，超高分子量超高分子量聚乙烯、碳黑納米顆粒和抗氧化劑的重量份數為95 99. 8,0. 1 5和0. 1 1份。
4.根據要求2所述的一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，其特征在于所說的超高分子量聚乙烯的分子量>2X106g/mol。
5.根據要求2所述的一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，其特征在于所說的碳黑納米顆粒的直徑為100 lOOOnm。
6.根據要求2所述的一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，其特征在于所述的溶劑為白油、石蠟油、十氫化萘、礦物油中的一種或者幾種；溶劑的粘度在 40°C下為 40 IOOCst0
7.根據要求2所述的一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，其特征在于所述的抗氧化劑為2，6- 二叔丁基對甲基苯酚或N-苯基-β-萘胺。
8.根據要求2所述的一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，其特征在于上述步驟(1)中高速剪切攪拌的速度為1000 3000r/min，攪拌時間為0. 5 lh。
9.根據要求2所述的一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維的制備方法，其特征在于上述步驟(2)中所述紡絲液的濃度為5% 20%。
全文摘要
本發明提供一種超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維及其制備方法。它是將超高分子質量超高分子量聚乙烯、碳黑納米顆粒和抗氧化劑與投入溶劑中，經乳化機高速剪切攪拌，混合均勻，得到混合料；再將混合料升溫至100～120℃，升溫速度控制在2～5℃/min，保溫1～4小時，得到紡絲溶液，然后采用常規的超高分子量聚乙烯纖維生產方法，制得超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維。本發明所制備的超高分子量聚乙烯/碳黑納米復合纖維，有效地改善超高分子量聚乙烯纖維的耐熱性和抗蠕變性，降低了纖維的生產成本，擴大了纖維的適用范圍；同時，本發明所提供的制備方法，其工藝路線簡潔、易于操作。
文檔編號D01F1/10GK102433600SQ201110271729
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者張竹標, 張臘梅, 王華平, 王新鵬, 羅曉娟, 郭子賢, 項朝陽 申請人:江蘇六甲高分子材料有限公司