本发明涉及高分子纤维,具体涉及一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。
背景技术:
1、超高分子量聚乙烯纤维,以其卓越的物理机械性能,如高强度、高模量、耐磨性和化学稳定性,在多个工业领域,这些特性使得超高分子量聚乙烯纤维在多个工业领域得到了广泛应用。然而,随着科技的进步和应用领域的不断拓展,对超高分子量聚乙烯纤维的性能要求也日益提高,传统超高分子量聚乙烯纤维在某些特定性能方面,如阻燃性、耐热性、抗老化性以及加工性等方面,已逐渐难以满足更高标准的要求。
2、目前,已有一些方法尝试通过添加阻燃剂、抗氧化剂或采用特殊的加工技术来提高超高分子量聚乙烯纤维的上述性能,然而在实际使用中仍未达到理想的最佳状态,因此如何通过制备工艺的改进对传统超高分子量聚乙烯纤维的性能进行优化,成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、解决的技术问题
2、针对现有技术所存在的上述缺点,本发明提供了一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法,能够有效地解决现有技术的超高分子量聚乙烯纤维的阻燃性、耐热性、抗老化性以及加工性仍需改进的问题。
3、技术方案
4、为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:
5、一种超高分子量聚乙烯纤维,所述超高分子量聚乙烯纤维由以下组分组成:超高分子量聚乙烯、复合阻燃剂、改性纳米二氧化钛、改性α-磷酸锆、单宁酸改性液和硅烷偶联剂分散液;
6、所述复合阻燃剂为以9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物接枝氢氧化镁后制得;
7、所述改性纳米二氧化钛为以硅烷偶联剂kh-570对纳米二氧化钛进行改性后制得;
8、所述改性α-磷酸锆为α-磷酸锆经三羟甲基氨基甲烷和乙烯基三乙氧基硅烷改性后制得。
9、更进一步地,所述复合阻燃剂的制备方法为:
10、将10-12g 9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物和1-2g硅烷偶联剂kh-560在160℃的温度下以200r/min的搅拌速度搅拌2h,加入300ml无水乙醇和18-20g氢氧化镁后在120℃的温度下以200r/min的搅拌速度搅拌2h,过滤去除滤液后置于120℃的烘箱内干燥2h,所得即为复合阻燃剂。
11、更进一步地,所述改性纳米二氧化钛的制备步骤为:
12、步骤1、称取2g纳米二氧化钛分散于200g无水乙醇中,超声分散后在70℃的温度下加热搅拌2h,再次超声分散后所得记作二氧化钛分散液;
13、步骤2、将5g硅烷偶联剂kh-570分散于100g无水乙醇中,以500r/min的搅拌速度搅拌10min后,所得记作硅烷偶联剂分散液;
14、步骤3、向100ml二氧化钛分散液中滴加2.5ml硅烷偶联剂分散液,滴毕在70℃的温度下加热搅拌6h,离心处理后用无水乙醇洗涤沉淀3次,接着置于80℃的烘箱内干燥12h,所得即为改性纳米二氧化钛。
15、更进一步地,步骤1中超声分散的具体操作均为以27khz的频率超声分散10min,步骤1中加热搅拌的搅拌速度为300r/min,步骤3中的滴速为1滴/s,步骤3中加热搅拌的搅拌速度为400r/min,步骤3中离心处理的具体操作均为以10000r/min的离心速度离心5min。
16、更进一步地,所述改性α-磷酸锆的制备步骤为:
17、步骤 = 1 \* roman \* mergeformat i、称取5gα-磷酸锆和300ml去离子水进行混合,分散均匀后所得记作α-磷酸锆分散液,称取3g三羟甲基氨基甲烷溶解于50ml去离子水中,混合均匀后所得记作三羟甲基氨基甲烷溶液;
18、步骤 = 2 \* roman \* mergeformat ii、以3ml/min的滴速将三羟甲基氨基甲烷溶液滴至α-磷酸锆分散液内,滴毕以40khz的频率超声处理20min,静置24h后离心处理得到沉淀并使用去离子水洗涤沉淀3次,冷冻干燥48h后记作剥离态α-磷酸锆;
19、步骤 = 3 \* roman \* mergeformat iii、将3.5g剥离态α-磷酸锆、350ml无水乙醇、20ml去离子水和3.5ml乙烯基三乙氧基硅烷分散于烧瓶内,在80℃的温度下进行蒸馏且顶部用冷却水回流4h,蒸馏产物经无水乙醇洗涤2次后用去离子水洗涤1次,冷冻干燥48h后所得即为改性α-磷酸锆。
20、更进一步地,步骤 = 1 \* roman \* mergeformat i中分散均匀的具体操作为以500r/min的搅拌速度搅拌10min,步骤 = 1 \* roman \* mergeformat i中混合均匀的具体操作为以300r/min的搅拌速度搅拌10min,步骤 = 2 \* roman \* mergeformat ii中离心处理的具体操作为以6000r/min的离心速度离心5min。
21、更进一步地,所述单宁酸改性液的制备方法为:
22、将0.4g三羟甲基氨基甲烷、2.5g氯化钠、0.6g单宁酸和150ml去离子水进行混合,以300r/min的搅拌速度搅拌10min后,滴加浓度为1mol/l的盐酸溶液调节ph值至8.5,所得即为单宁酸改性液。
23、更进一步地,所述硅烷偶联剂分散液的制备方法为:
24、称取6g硅烷偶联剂kh-550分散于100ml去离子水中,以28khz的频率超声分散30min后所得即为硅烷偶联剂分散液。
25、一种超高分子量聚乙烯纤维的制备方法,所述制备方法为:
26、s1、将100重量份超高分子量聚乙烯、20-25重量份复合阻燃剂、2-3重量份改性纳米二氧化钛和3-4重量份改性α-磷酸锆倒入密炼机内,密炼混合后经纺丝机纺丝成纤维,所得记作待处理纤维;
27、s2、按照1:20的料液比将待处理纤维浸入单宁酸改性液中,在室温下振荡处理38h后去除滤液并使用去离子水冲洗3次,干燥处理后记作初改性纤维组分;
28、s3、按照1:20的料液比将初改性纤维组分浸入硅烷偶联剂分散液中,搅拌反应后去除滤液并使用去离子水冲洗3次,干燥处理后所得即为超高分子量聚乙烯纤维。
29、更进一步地,s1中密炼混合的温度为205℃,密炼混合的转速为60r/min,密炼混合的时间为10min,s2中干燥处理的具体操作均为置于60℃的烘箱内干燥8h,s3中干燥处理的具体操作均为置于60℃的烘箱内干燥12h。
30、有益效果
31、本发明提供了一种超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法,与现有公知技术相比,本发明具有如下有益效果:
32、1、本发明在超高分子量聚乙烯中引入复合阻燃剂、改性纳米二氧化钛和改性α-磷酸锆,能够起到改善阻燃性能、力学性能和热稳定性的作用;以9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物和氢氧化镁进行复合,能够结合磷系和无机氢氧化物的阻燃机制,在燃烧过程中形成保护层并有效阻止火焰蔓延,从而显著提高纤维的阻燃性能;其次,纳米二氧化钛和α-磷酸锆经过改性后,表面性质得到改善,与聚乙烯基体的相容性增强,能够在基体中均匀分散,将其通过熔融共混引入超高分子量聚乙烯中能够作为物理交联点,从而增加聚乙烯分子链之间的相互作用力,提高纤维的力学性能和热稳定性。
33、2、本发明将待处理纤维依次浸入单宁酸改性液和硅烷偶联剂分散液中进行改性,能够使单宁酸与纤维表面的羟基等官能团反应,形成化学键合,提高纤维表面的极性和亲水性,有利于后续处理,硅烷偶联剂则能够同时与纤维表面和无机粒子表面反应,形成“桥联”结构,进一步增强纤维与无机粒子之间的相互作用力,改善纤维的加工性能和力学性能。