多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法、聚乙烯纤维及其用途

摘要

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法、聚乙烯纤维及其用途，属于纺织材料制备技术领域。该方法包括：粘均分子量不低于100万的纤维级超高分子量聚乙烯树脂分散到有机溶剂中，超高分子量聚乙烯树脂的质量百分含量为7％‑15％；向纺丝液中添加无机盐，无机盐的添加量为超高分子量聚乙烯树脂质量的0.3％‑10％，得到添加有无机盐的纺丝溶液；其经过挤出，得到纺丝细流；其经后处理，得到干态冻胶丝束；其在热牵伸过程中，除去至少部分无机盐后，得到多孔活性超高分子量聚乙烯纤维。经由该方法制得的聚乙烯纤维表面活性较高，具有易染色、易浸胶、易交联、易接枝等特性。

说明书

技术领域

本发明涉及纺织材料制备技术领域，特别是涉及多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法、聚乙烯纤维及其用途。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维含有柔性大分子链，具有高强、高模的力学性能，是目前已知的比强度和比模量最高的纤维。除了优异的力学性能外，超高分子量聚乙烯纤维还具有极强的耐磨性、耐冲击性、耐低温等特性；在化学性质方面，超高分子量聚乙烯纤维具有结晶度高，无官能团，表面能低等性质，因此，化学性质稳定，普通的酸、碱、盐等条件下，纤维性质不发生改变。由于超高分子量聚乙烯纤维表面光滑平整，与其它材料的界面粘结度低，对其表面染色或喷漆时，容易出现掉色、掉漆等现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法、聚乙烯纤维及其用途，该方法具有流程短，工艺简单，成本低，安全环保等特点，该聚乙烯纤维表面活性较高，具有易染色、易浸胶、易交联、易接枝等特性，从而更加适于实用。

为了达到上述第一个目的，本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法的技术方案如下：

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法包括以下步骤：

粘均分子量不低于100万的纤维级超高分子量聚乙烯树脂分散到有机溶剂中，配置成超高分子量聚乙烯树脂的质量百分含量的取值范围为7％-15％的纺丝溶液；

向所述纺丝溶液容中添加无机盐，所述无机盐的添加量的取值范围相当于所述超高分子量聚乙烯树脂质量百分含量的取值范围为0.3％-10％，得到添加有无机盐的纺丝溶液；

所述添加有无机盐的纺丝溶液经过挤出，得到纺丝细流；

所述纺丝细流经后处理，得到干态冻胶丝束；

所述干态冻胶丝束在热牵伸过程中，除去至少部分所述无机盐后，得到所述多孔活性超高分子量聚乙烯纤维。

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法还可采用以下技术措施进一步实现。

作为优选，在所述添加有无机盐的纺丝溶液经过挤出，得到纺丝细流的步骤过程中，所述挤出方法为经喷丝孔挤出，其中，所述喷丝孔的直径的取值范围为0.2mm-2mm。

作为优选，所述有机溶剂选自十氢萘、二甲苯、石蜡油、固体石蜡、白油中的一种。

作为优选，当所述有机溶剂为挥发性有机溶剂时，所述后处理的方法包括以下步骤：

所述纺丝细流经过风冷成型，得到成型后的中间产物；

所述成型后的中间产物通过甬道，除去所述成型后的中间产物中的溶剂，其中，所述甬道内设置有循环风，所述循环风的气氛选自氮气、二氧化碳、惰性气体中的一种气氛或者多种的组合气氛。

作为优选，当所述有机溶剂为非挥发性有机溶剂时，所述后处理的方法包括以下步骤：

所述纺丝细流进入萃取槽进行萃取得到湿态丝束，其中，所述萃取槽内设置有易挥发的烷烃或者卤代烃液体；

所述湿态丝束通过甬道，除去其中的萃取剂，其中，所述甬道内设置有循环风，所述循环风的气氛选自氮气、二氧化碳、惰性气体中的一种气氛或者多种的组合气氛。

作为优选，形成所述甬道内循环风的气体温度的取值范围为40℃-90℃；形成所述甬道内循环风的气体流速的取值范围为0.2m/s-5m/s。

作为优选，在所述干态冻胶丝束在热牵伸过程中，所述热牵伸参数分别包括：

第一次热牵伸：温度取值范围为135℃-138℃，牵伸倍数取值范围为2.0倍-4.0倍；

第二次热牵伸：温度取值范围为138℃-143℃，牵伸倍数取值范围为1.2倍-2.0倍；

第三次热牵伸：温度取值范围为138℃-140℃，牵伸倍数取值范围为1.01倍-1.2倍。

作为优选，所述无机盐为水溶性粉体无机盐，粒径的取值范围为10nm-90000nm。

作为优选，所述无机盐选自氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾中的一种或者是几种的混合物。

作为优选，所述干态冻胶丝束在热牵伸过程中，除去至少部分所述无机盐后，得到所述多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的步骤过程中，除去至少部分所述无机盐的方法为通过水洗脱除除去至少部分所述无机盐。

作为优选，所述通过水洗脱除至少部分所述无机盐的步骤在去离子水浴槽中进行，其中，浸入到所述去离子水浴槽中的纤维的水浴行程的取值范围为1m-4m，所述去离子水槽的级数取值范围为2级-4级。

作为优选，所述去离子水浴槽内设置有超声波装置和/或辅助加热装置。作为优选，所述去离子水浴槽内的去离子水为具有流动性的去离子水。

作为优选，所述去离子水的温度取值范围为20℃-80℃。

作为优选，所述干态冻胶丝束在热牵伸过程中，除去至少部分所述无机盐后，还包括对至少部分除去所述无机盐所得的脱盐产物进行晾晒和/或热风吹扫而除去其中水分的步骤，得到所述多孔活性超高分子量聚乙烯纤维。

为了达到上述第二个目的，本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的技术方案如下：

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维经由本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法制备得到，其中，所述多孔活性超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径10nm-90000nm的孔。

为了达到上述第三个目的，本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的用途技术方案如下：

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的用途包括以下步骤：

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维制备成长度取值范围为5mm-100mm的短纤。

将所述短纤分散到水泥中，使得所述水泥具有强度增加、抗开裂的性质。

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法制得的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维，表面具有微孔，改善纤维表面活性，具有易染色、易浸胶、易交联、易接枝等特性，能够解决现有超高分子量聚乙烯纤维表面不易处理且与其它材料难以配伍的问题。例如，含有活性的多孔超高分子量聚乙烯纤维浸入到染液中，染液通过微孔附着在纤维表面，实现纤维染色的目的，同时，纤维色泽均匀、色牢度高。再如，含有活性的多孔高分子量聚乙烯纤维制备成5-100mm的短纤，分散到水泥中，能够对水泥实现增强、抗裂的作用，可用于无筋建筑或者特殊需求的建筑领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1为本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法的步骤流程图。

具体实施方式

有鉴于此，本发明提供了一种多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法、聚乙烯纤维及其用途，该方法具有流程短，工艺简单，成本低，安全环保等特点，该聚乙烯纤维具有表面活性较高、易染色、易浸胶、易交联、易接枝等特性，从而更加适于实用。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法、聚乙烯纤维及其用途，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。

参见附图1，本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法包括以下步骤：

步骤S1：粘均分子量不低于100万的纤维级超高分子量聚乙烯树脂分散到有机溶剂中，配制成超高分子量聚乙烯树脂的质量百分含量的取值范围为7％-15％的纺丝液。本实施例中，超高分子量聚乙烯树脂采用溶液纺丝方法(即冻胶纺丝法)制备纤维，所用树脂需要分子量大于100万且满足纤维级需求，这样，能够保证正常的溶液纺丝，分子量低于100万或者非纤维级树脂，造成溶液粘度较低，可纺性差，或者得到的溶液凝胶粒子较多，后续无法满足高倍热拉伸需求，从而造成纤维品质低，无法满足市场需求。更高的分子量，即大于600万，不利于高浓度纺丝溶液的制备，造成制备成本的升高，不利于工业化实施。

步骤S2：向纺丝液中添加无机盐，无机盐的添加量的取值范围相当于超高分子量聚乙烯树脂质量百分含量的取值范围为0.3％-10％，得到添加有无机盐的纺丝溶液。其中，控制无机粉体的加入量，是本技术方案能否顺利实施的关键步骤之一。主要在于，无机粉体加入量较低，产生的占位空间较少，不能够实现纤维孔洞要求；无机粉体加入量过高，造成纤维纺丝受阻，容易出现纤维力学性能受到明显影响，以至于出现毛丝、断丝、力学性能弱等问题。经过研究，发现无机粉体的添加量还受到粉体种类、尺寸等多重因素的影响，需要根据纤维的孔洞大小、孔洞率等条件进行设计。

步骤S3：添加有无机盐的纺丝溶液经过挤出，得到纺丝细流；

步骤S4：纺丝细流经后处理，得到干态冻胶丝束。

步骤S5：干态冻胶丝束在热牵伸过程中，除去至少部分无机盐后，得到多孔活性超高分子量聚乙烯纤维。其中，得到的干态冻胶丝束并没有一个良好的纤维取向和结晶度，需要对其进行热拉伸过程，方可赋予纤维具有较高的结晶度和取向度，从而具有一个良好的纤维力学性能。本技术方案的目的是首选除去纤维表面的无机盐，纤维表面产生空洞，赋予纤维活性空间，对于纤维内部的无机盐，不做完全除尽的要求。

其中，在添加有无机盐的纺丝溶液经过挤出，得到纺丝细流的步骤过程中，挤出方法为喷丝孔挤出，其中，喷丝孔的直径的取值范围为0.2mm-2mm。

其中，有机溶剂选自十氢萘、二甲苯、石蜡油、固体石蜡、白油中的一种。

其中，当有机溶剂为挥发性有机溶剂时，后处理的方法包括以下步骤：

步骤SA1：纺丝细流经过风冷成型，得到成型后的中间产物；

步骤SA2：成型后的中间产物通过甬道，除去成型后的中间产物中的溶剂，其中，甬道内设置有循环风，循环风的气氛选自氮气、二氧化碳、惰性气体中的一种气氛或者多种的组合气氛。

其中，当有机溶剂为非挥发性有机溶剂时，后处理的方法包括以下步骤：

步骤SB1：纺丝细流进入萃取槽进行萃取得到湿态丝束，其中，萃取槽内设置有易挥发的烷烃或者卤代烃液体。其中，本实施例中，萃取剂优选环境友好型、安全环保的萃取剂，例如，汽油、二氯甲烷。

步骤SB2：湿态丝束通过甬道，除去其中的萃取剂，其中，甬道内设置有循环风，循环风的气氛选自氮气、二氧化碳、惰性气体中的一种气氛或者多种的组合气氛。

其中，形成甬道内循环风的气体温度的取值范围为40℃-90℃；形成甬道内循环风的气体流速的取值范围为0.2m/s-5m/s。

其中，在干态冻胶丝束在热牵伸过程中，热牵伸参数分别包括：

步骤SC1：第一次热牵伸：温度取值范围为135℃-138℃，牵伸倍数取值范围为2.0倍-4.0倍；

步骤SC2：第二次热牵伸：温度取值范围为138℃-143℃，牵伸倍数取值范围为1.2倍-2.0倍；

步骤SC3：第三次热牵伸：温度取值范围为138℃-140℃，牵伸倍数取值范围为1.01倍-1.2倍。

本实施例中，经过上述3次牵伸后，得到了超高分子量聚乙烯纤维。

其中，无机盐为水溶性粉体无机盐，粒径的取值范围为10nm-90000nm。

其中，无机盐选自氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾中的一种或者是几种的混合物。

其中，干态冻胶丝束在热牵伸过程中，除去至少部分无机盐后，得到多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的步骤过程中，除去至少部分无机盐的方法为通过水洗脱除除去至少部分无机盐。

其中，通过水洗脱除至少部分无机盐的步骤在去离子水浴槽中进行，其中，浸入到去离子水浴槽中的纤维的水浴行程的取值范围为1m-4m，去离子水槽的级数取值范围为2级-4级。其中，含有水溶性无机粉体的超高分子量聚乙烯样品，进入到去离子水槽中，纤维表面的无机粉体首先进行溶解，无机盐进入到水浴中。

其中，去离子水浴槽内设置有超声波装置和/或辅助加热装置。其中，为了增加无机盐的溶解速度，去离子水浴槽内设置有超声波装置及辅助加热装置。其中，超声波能够加速无机盐溶解到水浴中，同时增强水分子向纤维内部渗透，进一步除去纤维内部包裹的无机盐；给予水浴槽一定的辅助加热，能够加速无机离子迁移。

其中，去离子水浴槽内的去离子水为具有流动性的去离子水。其能够实现去离子水槽内无机盐含量稳定。

其中，去离子水的温度取值范围为20℃-80℃。

其中，干态冻胶丝束在热牵伸过程中，除去至少部分无机盐后，还包括对至少部分除去无机盐所得的脱盐产物进行晾晒和/或热风吹扫而除去其中水分的步骤，得到多孔活性超高分子量聚乙烯纤维。

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维经由本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法制备得到，其中，所述多孔活性超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径10nm-90000nm的孔。

本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维的其中一种用途包括以下步骤：

步骤SD1：本发明提供的多孔活性超高分子量聚乙烯纤维制备成长度取值范围为5mm-100mm的短纤；

步骤SD2：将短纤分散到水泥中，使得水泥具有强度增加、抗开裂的性质。

另外，含有活性的多孔超高分子量聚乙烯纤维浸入到染液中，染液通过微孔附着在纤维表面，实现纤维染色的目的，同时，纤维色泽均匀、色牢度高。再如，含有活性的多孔高分子量聚乙烯纤维制备成0.5-100mm的短纤，分散到水泥中，能够对水泥实现增强、抗裂的作用，可用于无筋建筑或者特殊需求的建筑领域。

实施例1

粘均分子量400万的超高分子量聚乙烯树脂分散到十氢萘中(超高分子量聚乙烯与十氢萘质量比10:90)，添加平均直径100nm的氯化钠颗粒(氯化钠与超高分子量聚乙烯树脂质量比6:94)，95℃溶胀4h后升温至170℃得到纺丝溶液，经过计量泵计量后经直径0.8mm喷丝孔挤出形成纺丝细流。纺丝细流经过氮气温度为80℃、长度为9m的甬道的干燥，得到干态原丝。干态原丝依次经过138℃、3.5倍的一级牵伸；142℃、1.2倍的二级牵伸；138℃、1.01倍的三级牵伸。分别在一级牵伸后和二级牵伸后经过2m长超声波水浴处理，最终得到的超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径为80nm的孔。

实施例2

粘均分子量600万的超高分子量聚乙烯树脂分散到十氢萘中(超高分子量聚乙烯与十氢萘质量比7:93)，添加平均直径10000nm的氯化钠颗粒(氯化钠与超高分子量聚乙烯树脂质量比0.3:99.7)，90℃溶胀4h后升温至180℃得到纺丝溶液，经过计量泵计量后经直径1mm喷丝孔挤出形成纺丝细流。纺丝细流经过氮气温度为80℃、长度为9m的甬道的干燥，得到干态原丝。干态原丝依次经过138℃、4倍的一级牵伸；143℃、1.3倍的二级牵伸；140℃、1.10倍的三级牵伸。分别在一级牵伸前、后和二级牵伸后经过2m长的超声波水浴处理，最终得到的超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径为5000nm的孔。

实施例3

粘均分子量600万的超高分子量聚乙烯树脂分散到十氢萘中(超高分子量聚乙烯与十氢萘质量比7:93)，添加平均直径10nm的氯化钠颗粒(氯化钠与超高分子量聚乙烯树脂质量比10:90)，99℃溶胀4h后升温至180℃得到纺丝溶液，经过计量泵计量后经直径1mm喷丝孔挤出形成纺丝细流。纺丝细流经过氮气温度为80℃、长度为9m的甬道的干燥，得到干态原丝。干态原丝依次经过138℃、4倍的一级牵伸；143℃、2倍的二级牵伸；140℃、1.01倍的三级牵伸。一级牵伸后、二级牵伸后、三级牵伸后经过2m长的超声波水浴处理，最终得到的超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径为5nm的孔。

实施例4

粘均分子量600万的超高分子量聚乙烯树脂分散到十氢萘中(超高分子量聚乙烯与十氢萘质量比7:93)，添加平均直径200nm的氯化钾颗粒(氯化钾与超高分子量聚乙烯树脂质量比6:94)，99℃溶胀4h后升温至180℃得到纺丝溶液，经过计量泵计量后经直径1mm喷丝孔挤出形成纺丝细流。纺丝细流经过氮气温度为80℃、长度为9m的甬道的干燥，得到干态原丝。干态原丝依次经过138℃、4倍的一级牵伸；143℃、2倍的二级牵伸；140℃、1.01倍的三级牵伸。一级牵伸后、二级牵伸后、三级牵伸后经过2m的长超声波水浴处理，最终得到的超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径为180nm的孔。

实施例5

粘均分子量200万的超高分子量聚乙烯树脂分散到十氢萘中(超高分子量聚乙烯与十氢萘质量比15:85)，添加平均直径50nm的氯化钠颗粒(氯化钠与超高分子量聚乙烯树脂质量比4:96)，90℃溶胀4h后升温至160℃得到纺丝溶液，经过计量泵计量后经直径0.8mm喷丝孔挤出形成纺丝细流。纺丝细流经过氮气温度为60℃、长度为9m的甬道的干燥，得到干态原丝。干态原丝依次经过138℃、4倍的一级牵伸；143℃、2倍的二级牵伸；140℃、1.01倍的三级牵伸。一级牵伸后、二级牵伸后、三级牵伸后经过2m长的超声波水浴处理，最终得到的超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径为40nm的孔。

实施例6

粘均分子量400万的超高分子量聚乙烯树脂分散到十氢萘中(超高分子量聚乙烯与十氢萘质量比10:90)，添加平均直径100nm的氯化钠颗粒(氯化钠与超高分子量聚乙烯树脂质量比6:94)，95℃溶胀4h后升温至170℃得到纺丝溶液，经过计量泵计量后经直径0.8mm喷丝孔挤出形成纺丝细流。纺丝细流经过汽油萃取剂萃取，得到含有汽油的湿态丝束，将湿态丝束送入氮气温度为50℃、长度为9m的甬道的干燥，得到干态原丝。干态原丝依次经过138℃、3.5倍的一级牵伸；142℃、1.2倍的二级牵伸；138℃、1.01倍的三级牵伸。分别在一级牵伸后和二级牵伸后经过2m长的超声波水浴处理，最终得到的超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径为80nm的孔。

实施例7

粘均分子量400万的超高分子量聚乙烯树脂分散到石蜡油中(超高分子量聚乙烯与石蜡油质量比8:92)，添加平均直径100nm的氯化钾颗粒(氯化钾与超高分子量聚乙烯树脂质量比6:94)，95℃溶胀4h后升温至170℃得到纺丝溶液，经过计量泵计量后经直径0.8mm喷丝孔挤出形成纺丝细流。纺丝细流经过汽油萃取剂萃取，得到含有汽油的湿态丝束，将湿态丝束送入氮气温度为50℃、长度为9m的甬道的干燥，得到干态原丝。干态原丝依次经过138℃、3.5倍的一级牵伸；142℃、1.2倍的二级牵伸；138℃、1.01倍的三级牵伸。分别在一级牵伸后和二级牵伸后经过2m长的超声波水浴处理，最终得到的超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径为80nm的孔。

实施例8

粘均分子量400万的超高分子量聚乙烯树脂分散到白油中(超高分子量聚乙烯与白油质量比8:92)，添加平均直径100nm的氯化钾颗粒(氯化钾与超高分子量聚乙烯树脂质量比6:94)，95℃溶胀4h后升温至170℃得到纺丝溶液，经过计量泵计量后经直径0.8mm喷丝孔挤出形成纺丝细流。纺丝细流经过二氯甲烷萃取剂萃取，得到含有二氯甲烷的湿态丝束，将湿态丝束送入氮气温度为50℃、长度为9m的甬道的干燥，得到干态原丝。干态原丝依次经过138℃、3.5倍的一级牵伸；142℃、1.2倍的二级牵伸；138℃、1.01倍的三级牵伸。分别在一级牵伸后和二级牵伸后经过2m长的超声波水浴处理，最终得到的超高分子量聚乙烯纤维表面具有平均直径为80nm的孔。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。