一种皮芯复合聚乙烯纤维及其制备方法与流程

1.本发明涉及高分子材料技术领域，具体地来说，涉及一种皮芯复合聚乙烯纤维及其制备方法。


背景技术：

2.超高分子量聚乙烯纤维是一种具有超高强度、超高模量的高性能化学纤维，其产品在军事领域（如防弹衣、防弹头盔等个体防护，坦克、舰船、直升机等装甲防护）、工业界（海洋绳缆、渔业养殖、体育器械、雷达罩等）获得了广泛应用。传统的超高分子量聚乙烯纤维由于分子链较长，且缠绕严重，本体的防切割等级一般只能达到2级左右（若将玻璃纤维、钢丝等材料与超高分子量聚乙烯纤维混纺编织，则导致混纺纤维舒适性差）；此外，超高分子量聚乙烯纤维由于非极性分子结构及高结晶度的特性，染色困难，色牢度差。
3.现有技术中相关针对超高分子量聚乙烯纤维的研究，如专利申请cn109322006a一种有颜色的高强聚乙烯纤维及其制备方法等，其均可通过表面改性纳米硼纤维此类组分的填充，在不影响舒适性的前提下，一定程度上提升超高分子量聚乙烯纤维的耐切割性，并可通过原液着色和皮芯复合的组合技术，方便染色，并一定程度上提高色牢度，但是，现有技术的皮芯复合聚乙烯纤维仍然存在着应用于后道使用工序时，容易掉粉、脱色，磨损后道工序设备的问题，同时，现有技术对于防切割性能的提升仍然有限。
4.为此，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种皮芯复合聚乙烯纤维及其制备方法，以解决上述背景技术提出的现有技术的皮芯复合聚乙烯纤维应用于后道使用工序时，容易掉粉、脱色，磨损后道工序设备，同时，现有技术对于防切割性能的提升仍然有限的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种皮芯复合聚乙烯纤维，包括纤维芯层和纤维皮层；所述纤维皮层包裹纤维芯层；所述纤维皮层包括超高分子量聚乙烯a，所述纤维芯层包括超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂，所述第一助剂包括矿物纤维，所述第二助剂包括无机超细微粉和石墨烯中的至少一种且第二助剂中可含或不含色浆和抗氧剂，其中，所述第一助剂和第二助剂的用量分别为超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂的总质量的0.1～60％、0.1～30％，具体地，所述无机超细微粉、石墨烯、色浆和抗氧剂的用量分别为超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂的总质量的0～20％、0～10％、0～20％和0～2％，所述矿物纤维为玻璃纤维、陶瓷纤维和碳纤维中的一种或其组合，所述无机超细微粉是平均半径为0.1～300
µ
m的铝、钛、硅、硼、碳化物、氮化物、锆的氧化物中的一种或其组合，所述超高分子量聚乙烯a和超高分子量聚乙烯b的重均分子量均为100～400万。
7.本发明还提供了上述皮芯复合聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：s1、将矿物纤维加入到溶剂a中，进行分散、搅拌预处理后，进行砂磨，砂磨时，控制
粒径为10～300
µ
m，长径比范围为1～30，制备得到第一助剂，其中，溶剂a为白油；s2、将无机超细微粉和石墨烯中的至少一种加入到溶剂b中，同时可添加或不添加色浆和抗氧剂，添加完成后，先进行分散、搅拌预处理，再进行砂磨，制备得到第二助剂，其中，溶剂b为白油；s3、将超高分子量聚乙烯b、第一助剂、第二助剂加入到溶剂c中充分混合后，送入双螺杆挤出机内加热，挤压溶解，即制得纤维芯层纺丝液，其中，加热温度为200～300℃，溶剂c为白油；s4、将超高分子量聚乙烯a加入到溶剂d中充分混合后，送入双螺杆挤出机内加热，挤压溶解，即制得纤维皮层纺丝液，其中，加热温度为200～300℃，其中，溶剂d为白油；s5、将纤维皮层纺丝液包裹住纤维芯层纺丝液进行纺丝后，经萃取、干燥和热拉伸，得到成品皮芯复合聚乙烯纤维，其中，纺丝温度为220～260℃。
8.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明中通过引入矿物纤维、无机超细微粉和石墨烯进行界面相互作用，对超高分子量聚乙烯进行填充，并配合皮芯复合工艺所产生的组合效应，形成双组分协同强化，在不影响皮芯复合聚乙烯纤维舒适性的前提下，大幅度地提升了皮芯复合聚乙烯纤维的防切割性能，在此基础上，本发明中的皮芯复合工艺中，将加入无机超细微粉、石墨烯、矿物纤维、色浆和抗氧剂的超高分子量聚乙烯，用于制备纤维芯层，将常规超高分子量聚乙烯用于制备纤维皮层，形成对纤维芯层的保护式效果，从而有效地解决了皮芯复合聚乙烯纤维后道使用工序中存在的掉粉、脱色、易损伤设备的问题。
9.2.本发明的皮芯复合聚乙烯纤维的颜色由纤维芯层的矿物纤维、无机超细微粉、石墨烯、色浆和抗氧剂的含量所决定，通过改变上述组分尤其是色浆的含量，即可制备得到各种颜色的高强度的皮芯复合聚乙烯纤维，在进一步增强皮芯复合聚乙烯纤维的防切割性能，且不影响皮芯复合聚乙烯纤维的色牢度的前提下，进一步提升着色的方便性。
具体实施方式
10.以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。
11.本发明中的原料为市售原料。
实施例1
12.皮芯复合聚乙烯纤维的制备：s1、将陶瓷粉末加入白油中，进行分散、搅拌预处理，后通过砂磨机进行机械加工，控制粒径为10～300
µ
m，长径比范围为1～30，得到第一助剂；s2、将抗氧剂1076、平均半径为0.1
µ
m的氧化镁粉末加入到白油中，添加完成后，先进行分散、搅拌预处理，再进行砂磨，制备得到第二助剂；s3、将超高分子量聚乙烯b（重均分子量为100万的超高分子量聚乙烯粉末）、第一助剂、第二助剂加入到白油中充分混合后，送入双螺杆挤出机内，在200～300℃下加热，挤压溶解，即制得纤维芯层纺丝液；s4、将超高分子量聚乙烯a（重均分子量为400万的超高分子量聚乙烯粉末）加入到白油中充分混合后，送入双螺杆挤出机内，在200～300℃下加热，挤压溶解，即制得纤维皮
层纺丝液；s5、先利用纺丝件将纤维皮层纺丝液包裹住纤维芯层纺丝液，在220～260℃下进行纺丝，并在水浴中冷却成型固化为冻胶丝，然后经过萃取、干燥和热拉伸，得到白色皮芯复合聚乙烯纤维。
13.该制备过程中，陶瓷粉末、氧化镁、抗氧剂1076的用量分别为超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂的总质量的22%、5%、0.5%。
14.将制得的白色皮芯复合聚乙烯纤维制成织物，防切割等级不低于a3（200d）、a4（400d）。
实施例2
15.皮芯复合聚乙烯纤维的制备：s1、将纳米晶碳化硅粉末、陶瓷粉末加入白油中，进行分散、搅拌预处理，后通过砂磨机进行机械加工，控制粒径为10～300
µ
m，长径比范围为1～30，得到第一助剂；s2、将色浆、抗氧剂300和石墨烯粉末（也可以根据需要选择改性石墨烯粉末）加入到白油中，添加完成后，先进行分散、搅拌预处理，再进行砂磨，制备得到第二助剂；s3、将超高分子量聚乙烯b（重均分子量为250万的超高分子量聚乙烯粉末）、第一助剂、第二助剂加入到白油中充分混合后，送入双螺杆挤出机内，在200～300℃下加热，挤压溶解，即制得纤维芯层纺丝液；s4、将超高分子量聚乙烯a（重均分子量为250万的超高分子量聚乙烯粉末）加入到白油中充分混合后，送入双螺杆挤出机内，在200～300℃下加热，挤压溶解，即制得纤维皮层纺丝液；s5、先利用纺丝件将纤维皮层纺丝液包裹住纤维芯层纺丝液，在220～260℃下进行纺丝，并在水浴中冷却成型固化为冻胶丝，然后经过萃取、干燥和热拉伸，得到灰色皮芯复合聚乙烯纤维。
16.该制备过程中，纳米晶碳化硅粉末、陶瓷粉末、色浆、抗氧剂300和石墨烯粉末的用量分别为超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂的总质量的5%、15%、8%、0.5%和2%。
17.将制得的灰色皮芯复合聚乙烯纤维制成织物，防切割等级不低于a4（200d/400d）。
实施例3
18.皮芯复合聚乙烯纤维的制备：s1、将纳米晶碳化硅粉末加入白油中，进行分散、搅拌预处理，后通过砂磨机进行机械加工，控制粒径为10～300
µ
m，长径比范围为1～30，得到第一助剂；s2、将色浆、抗氧剂168和石墨烯粉末（也可以根据需要选择改性石墨烯粉末）加入到白油中，添加完成后，先进行分散、搅拌预处理，再进行砂磨，制备得到第二助剂；s3、将超高分子量聚乙烯b（重均分子量为400万的超高分子量聚乙烯粉末）、第一助剂、第二助剂加入到白油中充分混合后，送入双螺杆挤出机内，在200～300℃下加热，挤压溶解，即制得纤维芯层纺丝液；s4、将超高分子量聚乙烯a（重均分子量为100万的超高分子量聚乙烯粉末）加入到白油中充分混合后，送入双螺杆挤出机内，在200～300℃下加热，挤压溶解，即制得纤维皮
层纺丝液；s5、先利用纺丝件将纤维皮层纺丝液包裹住纤维芯层纺丝液，在220～260℃下进行纺丝，并在水浴中冷却成型固化为冻胶丝，然后经过萃取、干燥和热拉伸，得到黑色皮芯复合聚乙烯纤维。
19.该制备过程中，纳米晶碳化硅粉末、色浆、抗氧剂168和石墨烯粉末的用量分别为超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂的总质量的20%、5%、0.5%和5%。
20.将制得的黑色皮芯复合聚乙烯纤维制成织物，防切割等级不低于a4（200d）、a5（400d）。
21.上述制得的白色皮芯复合聚乙烯纤维、灰色皮芯复合聚乙烯纤维和黑色皮芯复合聚乙烯纤维，其纤维密度均为0.9～2.0g/cm3；此外，将实施例1、实施例2和实施例3制得的各色皮芯复合聚乙烯纤维分别按照gb/t 14344-2022《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》中的标准进行检测可知，其断裂强度均达到15～20cn/dtex，断裂伸长率≤3.5%。

技术特征：
1.一种皮芯复合聚乙烯纤维，其特征在于，包括纤维芯层和纤维皮层；所述纤维皮层包裹纤维芯层；所述纤维皮层包括超高分子量聚乙烯a，所述纤维芯层包括超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂，所述第一助剂包括矿物纤维，所述第二助剂包括无机超细微粉和石墨烯中的至少一种且第二助剂中可含或不含色浆和抗氧剂。2.根据权利要求1所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维，其特征在于，所述第一助剂和第二助剂的用量分别为超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂的总质量的0.1～60％、0.1～30％。3.根据权利要求2所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维，其特征在于，所述无机超细微粉、石墨烯、色浆和抗氧剂的用量分别为超高分子量聚乙烯b、第一助剂和第二助剂的总质量的0～20％、0～10％、0～20％和0～2％。4.根据权利要求1所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维，其特征在于，所述矿物纤维为玻璃纤维、陶瓷纤维和碳纤维中的一种或其组合。5.根据权利要求1所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维，其特征在于，所述无机超细微粉是铝、钛、硅、硼、碳化物、氮化物、锆的氧化物中的一种或其组合，所述无机超细微粉的平均半径为0.1～300
µ
m。6.根据权利要求1所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯a和超高分子量聚乙烯b的重均分子量均为100～400万。7.权利要求1～6任一项所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将矿物纤维加入到溶剂a中，进行分散、搅拌预处理后，进行砂磨，制备得到第一助剂；s2、将无机超细微粉和石墨烯中的至少一种加入到溶剂b中，同时可添加或不添加色浆和抗氧剂，添加完成后，先进行分散、搅拌预处理，再进行砂磨，制备得到第二助剂；s3、将超高分子量聚乙烯b、第一助剂、第二助剂加入到溶剂c中充分混合后，送入双螺杆挤出机内加热，挤压溶解，即制得纤维芯层纺丝液；s4、将超高分子量聚乙烯a加入到溶剂d中充分混合后，送入双螺杆挤出机内加热，挤压溶解，即制得纤维皮层纺丝液；s5、将纤维皮层纺丝液包裹住纤维芯层纺丝液进行纺丝后，经萃取、干燥和热拉伸，得到成品皮芯复合聚乙烯纤维。8.根据权利要求7所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤s1中，砂磨时，控制粒径为10～300
µ
m，长径比范围为1～30。9.根据权利要求7所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤s3中，加热温度为200～300℃；步骤s4中，加热温度为200～300℃；步骤s5中，纺丝温度为220～260℃。10.根据权利要求7所述的一种皮芯复合聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述溶剂a、溶剂b、溶剂c和溶剂d均为白油。

技术总结
本发明公开了一种皮芯复合聚乙烯纤维及其制备方法，涉及高分子材料技术领域，所述皮芯复合聚乙烯纤维包括纤维芯层和纤维皮层；所述纤维皮层包裹纤维芯层；所述纤维皮层包括超高分子量聚乙烯A，所述纤维芯层包括超高分子量聚乙烯B、第一助剂和第二助剂，所述第一助剂包括矿物纤维，所述第二助剂包括无机超细微粉和石墨烯中的至少一种且第二助剂中可含或不含色浆和抗氧剂。本发明大幅度地提升了皮芯复合聚乙烯纤维的防切割性能，并有效地解决了皮芯复合聚乙烯纤维后道使用工序中存在的掉粉、脱色、易损伤设备的问题。易损伤设备的问题。


技术研发人员：张英 宋兴印 陈小林 周跃峰 喻峰
受保护的技术使用者：江苏锵尼玛新材料股份有限公司
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/7