一种防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法

技术领域

本发明属于超高分子量聚乙烯纤维技术领域，具体涉及一种防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维(英文全称：Ultra-high Molecular WeightPolyethylene Fiber，简称UHMWPE)与碳纤维、芳纶纤维并称为世界三大高性能特种纤维，是目前世界上最轻的高性能纤维，也是比强度和比模量最高的纤维。超高分子量聚乙烯纤维还具有突出的高模量、高强度、耐冲击、耐低温性和自润滑性等优异性能，可被广泛应用于军事工业、海洋产业、航空航天、安全防护、体育产业等多个领域。

随着社会经济的稳步发展和人民生活水平的提升，国民的健康意识、生命安全意识都在不断增强。超高分子量聚乙烯纤维因其优异的性能，在民用市场的需求量迅速提升，应用领域逐渐拓展。在防护用品等领域，民用纤维的防蚊和阻燃性能有一定要求，而以往对超高分子量聚乙烯纤维的改性中，较少涉及兼具防蚊与阻燃性能的改性。中国专利109385689公开了一种共混超高分子量聚乙烯的纺丝方法，其强度可达14~28cN/dtex，但并未涉及对纤维的防蚊和阻燃效果；中国专利112359436公开了一种阻燃型超高分子量聚乙烯纤维，其公开了包括白炭黑、纳米碳酸钙、纳米蒙脱土的纳米添加剂，可与阻燃型超高分子量聚乙烯复配，同时通过含有硅烷或钛酸类物质进行改性，改善混合物料之间的相容性，得到的纤维属于难燃材料，氧指数高于27%的，但未涉及防蚊和阻燃的多效合一功能；中国专利109371475公开了一种超高分子量聚乙烯的纺丝方法，其将纳米蒙脱土、纳米高岭土、或者纳米石墨烯均匀分散在超高分子量聚乙烯中，并加入过氧化物引发剂和有机溶剂得到混合物料进行造粒，得到的纤维断裂强度为14~28cN/dtex，也并未涉及纤维的防蚊和阻燃效果；中国专利112626634公开了一种注塑级防蚊型超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，该专利采用的超高分子量聚乙烯的粘均分子量高达350～600万，其物料难以分散均匀，因此需要通过添加其他润滑物质减小分子链之间的范德华力而提高物料的流动性，该过程增加了生产成本，且工艺复杂；中国专利103613830公开了一种抗静电无卤阻燃UHMWPE/石墨烯复合材料及其制备方法，此专利在生产过程中需要采用四氢呋喃、三氯甲烷等溶剂，生产工艺复杂、污染环境、能耗大，且并未实现阻燃防蚊多效合一；中国专利107558170公开了一种阻燃UHMWPE纤维的制备方法，其采用有机试剂对超高分子量聚乙烯纤维进行浸泡，进一步还做了活化处理，该过程中产生了废液增加了成本，同时工艺复杂，也并未实现阻燃防蚊的多效合一。综上所述，现有技术中的超高分子量聚乙烯纤维并未能够完全实现稳定的阻燃防蚊的多效合一的功能。另一方面，目前工业上主要采用凝胶纺丝法制备超高分子量聚乙烯纤维。相对凝胶纺丝法来说，以熔融纺丝法制备纤维的工艺更为简单，且对环境无污染、生产成本较低、生产效率高、能耗小，因此，熔融纺丝法是制备超高分子量聚乙烯纤维最环保、最经济、最高产的方法。但是，由于超高分子量聚乙烯具有超高的分子量，聚乙烯大分子链间存在大量缠结，使得超高分子量聚乙烯的大分子链难以滑动，在熔融状态下具有极大的黏度，熔融流动性几乎为零，这给熔融纺丝法制备超高分子量聚乙烯纤维带来了极大的困难。因此，超高分子量聚乙烯纤维如何兼具优异的防蚊和阻燃性能，并解决超高分子量聚乙烯纤维在制备过程中的生产工艺流程复杂、生产成本高等问题，对超高分子量聚乙烯纤维本身以及其应用领域都至关重要。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，该制备方法使用高密度聚乙烯与超高分子量聚乙烯进行共混，添加防蚊、阻燃等功能助剂，最终在不影响超高分子量聚乙烯纤维本身优良性能的同时，解决纤维的防蚊和阻燃性能差、生产工艺流程复杂、生产成本高等问题。

本发明的防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维的制备流程图见附图1；

技术方案如下：

S1、将纳米组分与聚乙烯醇、海藻胶在水溶液中混合，热处理冷却，与防蚊剂、偶联剂、聚乙二醇混合，搅拌，过滤，用去离子水洗涤后干燥至恒重，得到改性纳米添加剂；

S2、将碳酸铈、聚丙烯酸酰胺、尿素依次加入去离子水中搅拌均匀，然后加入阻燃芯混合搅拌，分散得到铈包膜的微胶囊阻燃剂；

S3、将由粘均分子量为100~240万的超高分子量聚乙烯、粘均分子量为20~50万的高密度聚乙烯、改性纳米添加剂、抗氧剂1010、抗氧剂168、微胶囊阻燃剂、润滑剂和相容剂组成的混合物料进行干燥处理后投入高速搅拌机，搅拌得到混合均匀的物料；

S4、将混合均匀的物料投入双螺杆挤出机中，进行熔融和混合、输送、剪切，经由超高分子量聚乙烯单丝专用设备熔融纺丝挤出，水浴冷却，得到防蚊阻燃超高分子量聚乙烯原丝；

S5、将防蚊阻燃超高分子量聚乙烯原丝进行三级高倍拉伸和卷绕，得到防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维。

优选地，按质量百分数计，所述混合物料为超高分子量聚乙烯40~70%、高密度聚乙烯20~40%、改性纳米添加剂1~3%、抗氧剂1010 0.1~1%、抗氧剂168 0.1~1%、防蚊剂1~3%、微胶囊阻燃剂1~6%、润滑剂1~3%和相容剂0.5~3%。

优选地，所述超高分子量聚乙烯的粘均分子量为100~240万，高密度聚乙烯的粘均分子量为20~50万；

优选地，所述纳米组分由纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米有机蒙脱土的一种或几种混合；

进一步地，所述S1中纳米组分、聚乙烯醇、海藻胶按重量比1:1~20:1~10混合；

优选地，所述S1中热处理冷却后的纳米组分、偶联剂、聚乙二醇按重量比5~6:1~1.2:1~5混合；

进一步地，所述S1中热处理冷却后的纳米组分、偶联剂、聚乙二醇混合搅拌反应时间为0.5~1h；

优选地，所述偶联剂选自钛酸酯偶联剂、TMC-101、TMC-102、TMC-2、TMC-27中的一种或组合；

优选地，所述防蚊剂选自氧化锌、氯化锌、纳米氧化锌、硝酸银、载银纳米氧化锌、氯化银中的一种或组合；

优选地，所述阻燃芯选自氢氧化镁、聚磷酸铵、聚对苯砜苯基膦酸酯、环状膦酸酯中的一种或组合；

优选地，所述润滑剂选自氧化聚乙烯蜡、硬脂酸钙、硬脂醇、乙撑双硬脂酰胺中的一种或组合；

优选地，所述相容剂选自相容剂ST-4、相容剂ST-5、相容剂ST-6、相容剂ST-8中的一种或组合；

进一步地，所述S1步骤中的热处理为两次，第一次在80~105℃热处理1~2h，第二次在100~600℃下热处理6~8h；

进一步地，所述S1步骤中干燥处理为80~100℃干燥6~10h；

进一步地，所述S3步骤中高速搅拌机的转速为600~1000r/min，搅拌时间为15~40min；

进一步地，所述S4步骤中熔融挤出的螺杆温度为220~320℃；

进一步地，所述S4步骤中水浴温度为10~40℃；

进一步地，所述S5步骤中三级高倍拉伸采用三级热辊拉伸；

优选地，所述三级热辊拉伸中第一组热辊温度为65~100℃，第二组热辊温度为80~115℃，第三组热辊温度为100~130℃，总牵伸倍数为12~21倍；

本发明制备得到的防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维拉伸强度为18.03~29.49cN/dtex，可用于海洋产业、安全防护、体育产业等领域。

本发明制备防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维所采用主要原料为超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯，所添加的高密度聚乙烯在熔融状态下，容易移动至超高分子量聚乙烯分子链之间或内部，促进超高分子量聚乙烯的分子链解缠结和滑移，提高超高分子量聚乙烯在熔融状态下的流动性，进一步地，超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯在特定的条件下形成共晶结构，该共混体系在纺丝后制得的超高分子量聚乙烯纤维具备优良的力学性能。

本发明采用改性纳米添加剂，纳米组分选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米有机蒙脱土的一种或几种混合，通过聚乙烯醇和海藻胶在纳米组分表面上成膜后，在高温下热处理，可形成比表面积更高的纳米粒子，对驱蚊剂进行大量吸附，而降低因驱蚊剂在使用过程或者制备过程中发生流失导致防蚊效果下降的可能，具有长效防蚊作用；然而，纳米组分混合后容易分散不均匀，出现团聚，进一步导致流动性下降，比表面积下降，吸附性能下降，因此将热处理后的纳米组分与偶联剂和聚乙二醇进行表面改性，增加了颗粒之间的分散性，保持较高的比表面积，增加粒子表面的吸附量，提高性能，由于该纳米颗粒具有一定的阻燃效果，因此同时可增加纤维材料的防蚊和阻燃效果。

本发明采用防蚊剂主要为天然有机防蚊剂，其耐热温度可达260℃以上，在熔融过程中需要保持良好的稳定性，而天然有机防蚊剂在改性纳米添加剂中可以得到较好的保护，因此为了减少其在熔融过程中的受热分解失效，同时可达到较好的防蚊效果，本发明采用较高比表面积的纳米颗粒对其进行吸附和负载，从而提高天然有机防蚊剂在混合物中的稳定性，减少天然有机防蚊剂的受热分解，降低防蚊剂用量，也可进一步延长防蚊效果。

本发明的阻燃为无卤阻燃剂，具有较高的安全系数，不会产生毒害气体等造成环境污染或影响人身体的健康，但由于无卤阻燃剂的阻燃效果没有卤素阻燃好，在使用过程中的添加量大，导致成本增加，因此，本发明通过将无卤阻燃剂采用微胶囊的方式进行包裹，提高阻燃剂瞬时的释放量，在减少阻燃剂的添加量同时还可达到很好的阻燃效果。

本发明在保证超高分子量聚乙烯纤维高强度、高模量的前提下，添加抗氧剂1010和抗氧剂168提高了共混体系的稳定性，防止熔融过程中发生降解，同时添加的抗氧剂可增加纤维材料的耐光色牢度，对紫外光照有一定的抵御能力，可避免阻燃纤维变色和耐光性差的问题，提高阻燃性能的稳定性和染色性能。

本发明采用润滑剂和相容剂提高超高分子量聚乙烯在熔融状态下的流动性，并保证共混体系在熔融状态下不成团、各组分分散均匀，纺丝过程中能够稳定均匀出丝，制得的超高分子量聚乙烯纤维的防蚊阻燃性能和力学性能优良，且氧指数高、防蚊效果长效持久。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明的防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维制备过程中的混合物料能够均匀充分混合，具有良好相容性、流动性和加工工艺稳定性，同时可减少阻燃剂和防蚊剂的使用，降低生产成本。

（2）本发明针对超高分子量聚乙烯纤维的技术空白和技术缺陷，通过两种不同分子量的聚乙烯之间形成共晶结构，有效地提高了超高分子量聚乙烯纤维的力学强度，同时改进了共混过程物料的流动性不好的缺陷，得到的防蚊阻燃超高分子量聚乙烯纤维断裂强度可高达29.49cN/dtex。

（3）本发明采用改性纳米添加剂，保证了纤维的防蚊性能和阻燃性能，使材料兼具多效性，解决纤维生产工艺流程复杂、生产成本高等问题，并且不影响超高分子量聚乙烯纤维原本具有的优良性能，使用过程中安全性高，减少微生物的富集、滋生，提供良好的健康环境，可满足高端服装、防护用品、母婴用品等多领域的使用要求。

（4）本发明的方法与凝胶纺丝法相比，无需使用十氢萘等有机溶剂，可以减轻环境污染、保护生产人员身体健康，同时省去了萃取、溶剂回收等工艺环节，制备工艺更为简单，生产成本更低。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的防蚊阻燃超高分子量聚乙烯制备流程图。