一种阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高分子材料制备领域，具体涉及一种阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。
【背景技术】
[0002]超闻分子量聚乙烯纤维(UHMffPE)分子量在300万到600万之间，也被称作凝胶纺丝聚乙烯纤维，是高强度、高模量纤维，是当今三大高性能纤维之一，由于其具有优异的力学性能，耐紫外光性，耐潮湿性，良好的耐久性，耐挠曲疲劳性能，耐磨损性，而广泛应用于绳索、安全防护、网类、高性能纺织品以及复合材料。但是由于其是由-CH2-组成的柔性高分子，分子链之间没有极性基团，相互之间作用力较小，在外力作用下易发生蠕变、耐热性差，且其实际强度并不高，加之超高分子聚乙烯纤维容易燃烧，限制了其在更广泛领域的应用。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，解决了现有技术中存在的超高分子量聚乙烯纤维易发生蠕变及易燃烧的技术问题，并提高了超高分子量聚乙烯纤维的强度和模量。
[0004]本发明的技术方案是，一种阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤:
[0005]步骤1:碳纳米管的酸氧纯化，详细步骤如下:
[0006]将碳纳米管加入到浓硫酸中超声处理，碳纳米管的质量与浓硫酸的体积比为1:50?1:60，在磁力搅拌的条件下缓慢升温至110?130°C，然后向其中滴入浓度为5%?10 %的KMNO4水溶液，碳纳米管的质量与KMNO4的体积比为1:20?1:30，滴完后回流2?4h，反应结束冷却后再加入浓盐酸，碳纳米管的质量与浓盐酸的体积比为1:10?1:15，最后用去离子水洗涤至PH = 7，经砂芯漏斗过滤得到纯化的碳纳米管；
[0007]步骤2:碳纳米管功能化，详细步骤如下，
[0008]将上述酸氧纯化后的碳纳米管加入到乙醇中超声分散，碳纳米管的质量与乙醇的体积比为1:80?1:120，在高速磁力搅拌下升温至70°C，搅拌均匀后，加入浓度为2 %?5%的钛酸酯偶联剂的异丙醇溶液，碳纳米管的质量与钛酸酯偶联剂的异丙醇溶液的滴数比为1:8?1:15，继续搅拌I?2h，冷却后经砂芯漏斗过滤、干燥、再经由异丙醇索氏提取后，干燥，得到功能化碳纳米管；
[0009]步骤3:制备阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维
[0010]配制浓度为5%的超高分子量聚乙烯纤维溶液，向其中加入超高分子量聚乙烯重量的2?5wt%的上述功能化的碳纳米管，0.1?0.5被％的抗氧剂JY-1010和抗氧剂几-168，5-10被％的膨胀型阻燃剂，该溶液在40?60°C下超声3?5h，再在高速磁力搅拌情况下缓慢油浴升温至80?120°C搅拌2-4h，然后将其加入到微双螺杆挤出机中进行纺丝，经恒温水浴后由卷绕机卷绕得到阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维；
[0011]步骤4:阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维的萃取，详细步骤如下，将碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维放入到二甲苯溶液中，两者的浴比是30:1，在恒温超声清洗器中进行超声处理，其中温度为40?60°C，超声频率为变频，超声功率为80%，时间为10?20min,自然干燥24h ；
[0012]步骤5:拉伸，详细步骤如下，
[0013]对上述萃取后的阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维在110?130°C下进行拉伸，拉伸倍率5?10倍，得到阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维。
[0014]本发明的特点还在于，
[0015]膨胀性阻燃剂为由重量份数分别为10份的聚磷酸铵、10份的季戊四醇、10份的三聚氰胺与8份的氢氧化铝组成的复配阻燃剂。
[0016]钛酸酯偶联剂选自钛酸酯201、钛酸酯101、钛酸酯211中的一种。
[0017]本发明的有益效果是，阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，将碳纳米管首先进行纯化及功能化，可以使碳纳米管与聚乙烯纤维基体之间具有较好的界面性能，并采用超声分散碳纳米管与阻燃剂，使各添加剂均匀分散于超高分子量聚乙烯纤维的基体中。碳纳米管限制了聚乙烯纤维基体内无定型分子链的活动性，提高了超高分子量聚乙烯纤维的耐蠕变性能、强度和模量。另外，聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺与氢氧化铝组成的复配型膨胀性阻燃剂可以与碳纳米管发生协效作用，进一步提高了膨胀性阻燃剂的阻燃效果。
【具体实施方式】
[0018]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步详细的描述。
[0019]本发明的阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维的制备方法包括以下步骤:
[0020]步骤1:碳纳米管酸氧纯化，详细步骤如下:
[0021]将碳纳米管加入到浓硫酸中超声处理(碳纳米管的质量与浓硫酸的体积比为1:50?1:60)，在磁力搅拌的条件下缓慢升温至110?130°C，然后向其中滴入浓度为5 %?10 %的KMN04水溶液(碳纳米管的质量与高锰酸钾的体积比为1:20?1:30)，滴完后回流2?4h，反应结束冷却后再加入浓盐酸(碳纳米管的质量与浓盐酸的体积比为1:10?1:15)，最后用去离子水洗涤至pH = 7，经砂芯漏斗过滤得到纯化的碳纳米管；
[0022]步骤2:碳纳米管功能化，详细步骤如下，
[0023]将上述酸氧纯化后的碳纳米管加入到乙醇中超声分散(碳纳米管的质量与乙醇的体积比为1:80?1:120)，在高速磁力搅拌下升温至70°C，搅拌均匀后，加入浓度为2%?5%的钛酸值偶联剂的异丙醇溶液(碳纳米管的质量与钛酸值偶联剂的异丙醇溶液的滴数比为1:8?1:15)，继续搅拌I?2h，冷却后经砂芯漏斗过滤、干燥、再经由异丙醇索氏提取后，干燥，得到功能化碳纳米管；
[0024]步骤3:制备碳纳米管与超高分子量聚乙烯冻胶纤维
[0025]配制5%浓度的超高分子量聚乙烯溶液，向其中加入超高分子量聚乙烯重量的2?5wt%的上述功能化的碳纳米管、0.1?0.5被％的抗氧剂JY-1010和抗氧剂JY-168、5-10wt%的由重量份数分别为10份的聚磷酸铵、10份的季戊四醇、10份的三聚氰胺与8份的氢氧化铝复配的阻燃剂该溶液在40?60°C下超声3?5h，再在高速磁力搅拌情况下缓慢油浴升温至80?120°C搅拌2-4h，然后将其加入到微双螺杆挤出机中进行纺丝，，经恒温水浴后由卷绕机卷绕得到阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维；
[0026]步骤4，阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维的萃取，详细步骤如下，将碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维放入到二甲苯溶液中(两者的浴比是30:1，即二甲苯的体积mL和冻胶纤维的质量之比)，在恒温超声清洗器中进行超声处理，其中温度为40?60°C，超声频率为变频，超声功率为80%，时间为10?20min，然后自然干燥24h ；
[0027]步骤5:拉伸，详细步骤如下，
[0028]对上述萃取后的阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维在110?130°C下进行拉伸，拉伸倍率5?10倍，得到阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯冻胶纤维纤维。
[0029]碳纳米管(CNTs)具有良好的力学性能，CNTs的抗拉强度达到50?200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达lTPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约SOOGPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料，若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。经过纯化和功能化的CNTs表面具有官能团可以与聚乙烯纤维基体之间较好的界面性能，CNTs的加入限制了聚乙烯纤维基体内无定型分子链的活动性，结合碳纳米管的较高的长径比使超高分子量聚乙烯纤维的耐蠕变性能大大提高。
[0030]阻燃剂选用聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺与氢氧化铝组成的复配型膨胀性阻燃剂，CNTs恰好可以作为协效阻燃剂，该膨胀性阻燃剂可以在超高分子量聚乙烯纤维间隙富集，形成有效的阻燃屏蔽层，使其阻燃效率高于阻燃剂成均匀分布的阻燃效率，添加量小就可以达到高效阻燃的目的，同时阻燃剂较小的添加量有利于纺丝过程的顺利进行，且不降低制品的力学性能
[0031]本发明的阻燃碳纳米管增强超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE/CNTs)的制备方法，将CNTs首先进行纯化及功能化，可以使CNTs与聚乙烯纤维基体之间具有较好的界面性能，并采用超声分散CNTs与阻燃剂，使各添加剂均匀分散于超高分子量聚乙烯纤维的基体中。CNTs限制了聚乙烯纤维基体内无定型分子链的活动性，提高了超高分子量聚乙烯纤维的耐蠕变性能、强度和模量。另外，聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺与氢氧化铝组成的复配型膨胀性阻燃剂可以与CNTs发生协效作