一种绿色环保防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维表面改性技术领域，尤其是涉及一种绿色环保防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。

背景技术

防爆材料是用于抵抗楼房拆除爆破所形成的冲击波和飞散物等所造成的危害。理想的防爆材料应具备一定的强度，能够抵抗飞散物点冲击作用。同时具有抗压、抗拉能力，能够抵御爆炸冲击波作用于材料产生的压缩力，及反射拉伸波造成材料的分层现象。

超高分子量聚乙烯纤维的密度在0.98g/cm

对超高分子量聚乙烯进行表面改性的方法很多，包括：超声液相氧化法(CN104278510A、CN104278511A)、辐射接枝(CN102400375A、CN101831802A)、等离子体处理(CN114059347A、CN105544180A)和聚合物涂层法(CN105862422A、CN108395675A)。

上述改性方法虽然在一定程度上改善了纤维与基体的结合力，但是大多都会受到纤维机械性能损伤、高成本仪器和特定反应条件等的限制。如超声液态氧化法的特点是简单易行、研究广泛，但是该方法会损伤纤维自身强度且会对环境造成污染。等离子体处理法对设备要求高，需要较高的真空度，而且处理效果不持久、不均匀。辐射接枝法实验中影响因素较多难以控制，而且会损伤纤维力学性能。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种绿色环保防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。本发明是一种绿色环保的有机-无机复合涂层表面改性方法，采用单宁酸-氧化锌复合涂层改性UHMWPE纤维，同时提高UHMWPE纤维复合材料的强度和韧性，并且反应条件温和，原料廉价易得、绿色环保可持续。

本发明的技术方案如下：

一种绿色环保防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于无水乙醇中超声清洗，取出烘干；之后浸于单宁酸缓冲液中，25℃下放置在摇床中反应2～10h；最后清洗、烘干后制得预处理的超高分子量聚乙烯纤维；

(2)在含有二水合乙酸锌和表面活性剂的去离子水溶液中，加入1mol/LNaOH调节pH至9～13，之后加入步骤(1)所得预处理的超高分子量聚乙烯纤维，80℃下，超声1h；之后烘干制得所述防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维。

步骤(1)中，所述单宁酸缓冲液为含有单宁酸、氯化钠的三羟甲基氨基甲烷缓冲液，缓冲液pH为7～9。缓冲液中单宁酸与氯化钠的质量浓度比为1:3～1:30。

步骤(1)中，所述超高分子量聚乙烯纤维与无水乙醇的质量比为1:20～1:50。

步骤(1)中，所述摇床的震荡速率为60～120r/min。

步骤(2)中，含有二水合乙酸锌和表面活性剂的去离子水溶液中二水合乙酸锌与表面活性剂的摩尔浓度比为35:1～200:1。

步骤(2)中，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、乙酰苯胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

步骤(2)中，超声的功率为50～100kHz。超声的条件为80℃下超声1h。

步骤(2)中，烘干的条件为20～60℃烘干5～12h。

本发明有益的技术效果在于：

本发明的改性方法不损伤UHMWPE纤维自身力学性能，不改变纤维颜色，由单宁酸涂层引入大量酚羟基，提高UHMWPE纤维与基体的界面粘附性能；由氧化锌纳米涂层增强其复合材料能量吸收，且氧化锌纳米涂层的晶体结构能够增加材料裂纹扩展路径，提高复合材料的韧性。本发明单宁酸-氧化锌复合涂层能够同时提高UHMWPE纤维复合材料的强度和韧性。

本发明表面活性剂可减少氧化锌纳米粒子团聚，使其均匀分散，在UHMWPE纤维表面形成均匀的氧化锌涂层。

本发明使用超声沉淀法，超声浴可以促进氧化锌纳米颗粒的成核和生长，避免了使用水热法合成纳米氧化锌中加热步骤，对于耐热性不强的UHMWPE纤维能够避免由于高温造成的其性能损伤。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行具体描述。

实施例1

一种绿色环保防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于无水乙醇中超声清洗，取出烘干；之后浸于单宁酸缓冲液(单宁酸的浓度为2g/L、氯化钠浓度为15g/L、pH为7的三羟甲基氨基甲烷缓冲液)中，25℃下放置在摇床中，震荡速率为60r/min条件下反应6h；最后清洗、烘干后制得预处理的超高分子量聚乙烯纤维；

(2)在含有1.6g/L二水合乙酸锌和0.07g/L十六烷基三甲基溴化铵的去离子水溶液中，加入NaOH调节pH至11，之后加入步骤(1)所得预处理的超高分子量聚乙烯纤维，80℃，功率为100kHz条件下，超声1h；之后20℃烘干12h制得所述防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维。

实施例2

一种绿色环保防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于无水乙醇中超声清洗，取出烘干；之后浸于单宁酸缓冲液(单宁酸的浓度为0.5g/L、氯化钠浓度为15g/L、pH为8的三羟甲基氨基甲烷缓冲液)中，25℃下放置在摇床中，震荡速率为120r/min条件下反应2h；最后清洗、烘干后制得预处理的超高分子量聚乙烯纤维；

(2)在含有1.02g/L二水合乙酸锌和0.01g/L十六烷基三甲基溴化铵的去离子水溶液中，加入NaOH调节pH至9，之后加入步骤(1)所得预处理的超高分子量聚乙烯纤维，80℃，功率为80kHz条件下，超声1h；之后40℃烘干6h制得所述防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维。

实施例3

一种绿色环保防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于无水乙醇中超声清洗，取出烘干；之后浸于单宁酸缓冲液(单宁酸的浓度为4g/L、氯化钠浓度为15g/L、pH为9的三羟甲基氨基甲烷缓冲液)中，25℃下放置在摇床中，震荡速率为100r/min条件下反应8h；最后清洗、烘干后制得预处理的超高分子量聚乙烯纤维；

(2)在含有2g/L二水合乙酸锌和0.05g/L十六烷基三甲基溴化铵的去离子水溶液中，加入NaOH调节pH至13，之后加入步骤(1)所得预处理的超高分子量聚乙烯纤维，80℃，功率为80kHz条件下，超声1h；之后60℃烘干5h制得所述防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维。

测试例：

(1)将环氧树脂和聚醚胺固化剂按重量比3:1搅拌混合，随后置于真空中脱气15min得到无气泡的树脂液，利用针尖将少量的树脂液滴转移到测试纤维的表面，再在80℃下固化2h获得微球脱粘试样。对实施例1-3所得防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维通过微球脱粘实验测试改性前后的界面强度变化，结果如表1所示。

表1

(2)将UHMWPE纤维或实施例1-3所得防爆用改性超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂搅拌均匀，随后置于真空中脱气15min，加入聚醚胺固化剂搅拌至混合均匀，环氧树脂和固化剂重量比为3:1，随后置于真空中脱气15min，再倒入涂有脱模剂的模具中，在70℃成型固化40min。按照ASTM-D256标准测试UHMWPE纤维/EP复合材料的冲击强度，测试结果为5次测量结果的平均值，冲击试样尺寸为12.7mm×60mm×3.2mm。结果如表2所示。

表2