一种超疏水聚乙烯纤维薄膜的制备方法与流程

本发明涉及高分子材料加工技术领域，具体涉及一种超疏水聚乙烯纤维薄膜的制备方法。

背景技术：

超疏水表面因具有大于150°的静态接触角和小于10°的滚动角的性能而吸引人们研究。自然界中许多植物叶面、水禽羽毛都具有超疏水性。这些动、植物的表面一般都分泌有疏水的油脂或蜡,而且表面非常粗糙,与水的接触角可达150°以上。荷叶以超疏水性和自清洁而出名，这得益于它特殊的分级粗糙度：细小的微米乳突结构上还有一层蜡质纳米结构，液滴会坐落在乳突结构的顶端，因此这些叶子会展示出优秀的超疏水性。目前，借鉴自然界中存在的天然疏水性物质的疏水原理，超疏水表面一般可以通过两类技术路线来制备：一类是在低表面能的疏水材料表面上构建微米-纳米级粗糙结构；另外一类是用低表面能物质在微米-纳米级粗糙结构上进行修饰处理。其中,制备合适微米-纳米级粗糙结构的方法是相关研究的关键。

超高分子量聚乙烯是一种性能优良的工程塑料，综合了所有塑料的优越性能，它的分子结构与普通聚乙烯的基本相同，但分子量却高达100万以上，因而具有不同于普通聚乙烯的一些特殊性能。uhmwpe具有自润滑性、摩擦系数小，磨耗低，、耐化学药品性优良，、耐冲击、耐压性、抗冻性、保温性、自润滑性、抗结垢性、耐应力开裂性、卫生性等优点。广泛应用于化学工业、食品和饮料加工机械、铸件、木材加工工业、散装材料处理、医疗上的人工移植器、采矿加工机械、纺织机械及交通运输车辆、体育娱乐设备等领域。在uhmwpe广泛应用过程中，对于其疏水性能的需求越来越强烈。然而目前对于疏水性材料的制备方法主要有蒸汽诱导相分离法、模板印刷法、电纺静电纺丝法、溶胶-凝胶法、模板挤压法、激光和等离子体刻蚀法、拉伸法、腐蚀法以及其他方法。这些方法在实际应用过程中成本高，周期长，不适于工业上推广应用。因此，探索一种制备方法简单、低成本、高加工效率的超疏水聚乙烯纤维薄膜的制备方法，是一项具有重要应用价值的技术工作。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种超疏水聚乙烯纤维薄膜的制备方法，该方法操作简便、易于控制、成本低、加工效率高。

为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种超疏水聚乙烯纤维薄膜的制备方法，包括以下操作步骤：

1）制备超高分子量聚乙烯纺丝液：在140℃温度下，将超高分子量聚乙烯粉末溶于二甲苯中，配置成质量浓度为0.0.1~0.5%的超高分子量聚乙烯溶液；

2）纺丝、纺膜：在油浴锅的上方设置搅拌棒，搅拌棒的下方固定连接钢丝框，将步骤1）制备的超高分子量聚乙烯溶液转移至油浴锅中，钢丝框浸入超高分子量聚乙烯溶液中，设定油浴温度为105~115℃，恒温结晶，设定搅拌速率＞600r/min，钢丝框在超高分子量聚乙烯溶液中随着搅拌棒转动进行纺丝、纺膜，结晶的纤维缠绕在钢丝框上形成薄膜；其中钢丝框为由直径为0.5~1mm的钢丝围成的长为40mm，宽为17mm的钢丝框；

3）干燥：将步骤2）纺丝、纺膜完成后形成的纤维薄膜取出，干燥，即得所述的超疏水聚乙烯纤维薄膜。

可选的，步骤2）中所述恒温结晶的时间为20min。

可选的，所述超高分子量聚乙烯粉末的型号为m2，数均分子量为（2.0～3.0）×10⁶g/mol。所述超高分子量聚乙烯粉末从加入二甲苯至完全溶解的时间＞10分钟。

可选的，步骤2）中所述搅拌速率为800r/min。

可选的，步骤3）中所述干燥为在50~75℃条件下干燥1~2min。

可选的，步骤2）中所述钢丝框围成的平面垂直于超高分子量聚乙烯溶液的液面。本发明的有益效果：

1、本发明的超疏水聚乙烯纤维薄膜基于超疏水性能材料的生产要求，不用低表面能去修饰粗糙表面，而是利用超高分子量聚乙烯（uhmwpe）为材料，通过流动诱导结晶的方法直接制得具有串晶（shish-kebab）结构的uhmwpe超疏水纤维薄膜；

2、本发明方法制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜是一种典型的串晶结构，微米尺寸的shish在表面随机取向，几个shish-kebab共同生长形成更大的尺寸，表面有许多互相连通的shish-kebab形成了微米结构；同时圆盘状的kebab垂直于shish周期性地排列，kebab之间的间隙和纳米尺寸的kebab形成了纳米结构，这种特色的shish-kebab形成了一种微纳分层结构，降低了超高分子量聚乙烯纤维薄膜表面对水的粘附性，提高表面的接触角，赋予超高分子量聚乙烯纤维薄膜的超疏水性能；

3、本发明方法制备的超疏水超高分子量聚乙烯纤维薄膜具备自清洁功能，能够比较完美地模仿荷叶表面的自清洁能力；

4、本发明方法制备的超疏水超高分子量聚乙烯纤维薄膜具备油水分离功能，能够从水中吸附水表明的油，可应用于防护海洋污染。

5、本发明方法操作简便，成本低廉，周期短，适于工业化推广应用。

附图说明

图1本发明实施例1中的流动诱导结晶实验装置图；其中1为搅拌棒、2为油浴锅、3为钢丝框；

图2本发明实施例1制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜不同倍率下的扫描电镜图对照图；其中a为1μm倍率下的扫描电镜图；b为100nm倍率下的扫描电镜图；

图3本发明实施例1制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜与水滴的静态接触角测试图；

图4本发明实施例1制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜与水滴的滚动角测试图；

图5本发明实施例1制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜自清洁功能演示图；

图6本发明实施例1制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜油水分离自清洁功能演示图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

下述实施例中采用的超高分子量聚乙烯粉末的型号为m2，数均分子量为（2.0～3.0）×10⁶g/mol。

实施例1

本实施例超疏水聚乙烯纤维薄膜的制备方法，具体操作步骤为：

1）制备超高分子量聚乙烯纺丝液：取超高分子量聚乙烯粉末加入有机溶剂二甲苯中，在140℃条件下溶解10分钟以上至超高分子量聚乙烯粉末完全溶于二甲苯中，得质量浓度为0.05%的超高分子量聚乙烯溶液；

2）纺丝、纺膜：如图1所示，在油浴锅的上方设置搅拌棒，搅拌棒的下方左右对称固定连接两个钢丝框，将步骤1）制备的超高分子量聚乙烯溶液转移至油浴锅中放置的筒体部内径为35mm的缩口玻璃容器中，加入的超高分子量聚乙烯溶液的体积为40ml，，钢丝框浸入超高分子量聚乙烯溶液中，设定油浴温度为105℃，设定搅拌速率800r/min，恒温结晶20min，钢丝框在超高分子量聚乙烯溶液中随着搅拌棒转动进行纺丝、纺膜；其中钢丝框为由直径为0.8mm的钢丝围成的长为40mm，宽为17mm的钢丝框，两个钢丝框竖直固定在搅拌棒的下端；

3）干燥：将步骤2）纺丝、纺膜完成后形成的带有纤维薄膜的搅拌棒取出，采用60℃的热风干燥1.5min，即得所述的超疏水聚乙烯纤维薄膜。

本实施例制备的纤维薄膜的性能检测：

1、采用sem观察本实施例制备的纤维薄膜的结构，如图2所示，微米尺寸的shish在表面随机取向，几个shish-kebab共同生长形成更大的尺寸，表面有许多互相连通的shish-kebab形成了微米结构；同时由图b可知圆盘状的kebab垂直于shish周期性地排列，kebab之间的间隙和纳米尺寸的kebab形成了纳米结构，这种特色的shish-kebab形成了一种微纳分层结构；

2、采用接触角测试仪测量本实施例制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜对水液滴的接触角为154°（如图3所示）,滚动角小于5°（如图4所示），表明本实施制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜具有很好的疏水性能；

3、如图5所示，将mno2粉末洒在本实施例制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜的表面，用水滴冲洗之后，mno2直接从超疏水聚乙烯纤维薄膜表面脱落，并不留下任何痕迹，表面本实施例方法制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜具有很好的自清洁功能；

4、如图6所示，在水中滴入环己烷，然后采用本实施例制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜粘附水中的环己烷，经过5s左右的时间，水中的环己烷完全粘附在超疏水聚乙烯纤维薄膜表面，表明本实施例制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜具有很好的油水分离自洁净功能，可以应用于河水、海洋等有机物污染物的去除。

实施例2

本实施例超疏水聚乙烯纤维薄膜的制备方法，具体操作步骤为：

1）制备超高分子量聚乙烯纺丝液：取超高分子量聚乙烯粉末加入有机溶剂二甲苯中，在140℃条件下溶解10分钟以上至超高分子量聚乙烯粉末完全溶于二甲苯中，得质量浓度为0.01%的超高分子量聚乙烯溶液；

2）纺丝、纺膜：在油浴锅的上方设置搅拌棒，搅拌棒的下方左右对称固定连接两个钢丝框，将步骤1）制备的超高分子量聚乙烯溶液转移至油浴锅中，钢丝框浸入超高分子量聚乙烯溶液中，设定油浴温度为110℃，设定搅拌速率800r/min，恒温结晶20min，钢丝框在超高分子量聚乙烯溶液中随着搅拌棒转动进行纺丝、纺膜；其中钢丝框为由直径为0.5mm的钢丝围成的长为40mm，宽为17mm的钢丝框，两个钢丝框竖直固定在搅拌棒的下端；

3）干燥：将步骤2）纺丝、纺膜完成后形成的纤维薄膜取出，采用50℃的热风干燥2min，即得所述的超疏水聚乙烯纤维薄膜。

本实施例制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜的各项性能与实施例1基本等同。

实施例3

本实施例超疏水聚乙烯纤维薄膜的制备方法，具体操作步骤为：

1）制备超高分子量聚乙烯纺丝液：取超高分子量聚乙烯粉末加入有机溶剂二甲苯中，在140℃条件下溶解10分钟以上至超高分子量聚乙烯粉末完全溶于二甲苯中，得质量浓度为0.5%的超高分子量聚乙烯溶液；

2）纺丝、纺膜：在油浴锅的上方设置搅拌棒，搅拌棒的下方左右对称固定连接两个钢丝框，将步骤1）制备的超高分子量聚乙烯溶液转移至油浴锅中，钢丝框浸入超高分子量聚乙烯溶液中，设定油浴温度为115℃，设定搅拌速率800r/min，恒温结晶20min，钢丝框在超高分子量聚乙烯溶液中随着搅拌棒转动进行纺丝、纺膜；其中钢丝框为由直径为1mm的钢丝围成的长为40mm，宽为17mm的钢丝框，两个钢丝框竖直固定在搅拌棒的下端；

3）干燥：将步骤2）纺丝、纺膜完成后形成的纤维薄膜取出，采用75℃的热风干燥1min，即得所述的超疏水聚乙烯纤维薄膜。

本实施例制备的超疏水聚乙烯纤维薄膜的各项性能与实施例1基本等同。

对比例1

本对比例聚乙烯纤维薄膜与实施例1不同的是，配制质量浓度为5%的超高分子量聚乙烯溶液，省去使用钢丝框纺丝纺膜，改用直径为20mm、长为35mm的聚四氟乙烯纤维棒纺丝纺膜，结晶温度设定为96℃，其他同实施例1。

采用接触角测试仪测量后，本对比例方法制备的聚乙烯纤维薄膜对水液滴的接触角为146°，滚动角＞10°，不能满足超疏水性能的要求。

对比例2

本对比例聚乙烯纤维薄膜与实施例1不同的是，配制质量浓度为5%的超高分子量聚乙烯溶液，省去使用钢丝框纺丝纺膜，改用直径为20mm、长为35mm的聚四氟乙烯纤维棒纺丝纺膜，结晶温度设定为105℃，其他同实施例1。

采用接触角测试仪测量后，本对比例方法制备的聚乙烯纤维薄膜对水液滴的接触角为147°，滚动角＞10°，不能满足超疏水性能的要求。

对比例3

本对比例聚乙烯纤维薄膜与实施例1不同的是，配制质量浓度为5%的超高分子量聚乙烯溶液，省去使用钢丝框纺丝纺膜，改用直径为20mm、长为35mm的聚四氟乙烯纤维棒纺丝纺膜，结晶温度设定为114℃，其他同实施例1。

采用接触角测试仪测量后，本对比例方法制备的聚乙烯纤维薄膜对水液滴的接触角为149°，滚动角＞10°，不能满足超疏水性能的要求。

对比例4

本对比例聚乙烯纤维薄膜与实施例1不同的是，配制质量浓度为5%的超高分子量聚乙烯溶液，省去使用钢丝框纺丝纺膜，改用直径为20mm、长为35mm的聚四氟乙烯纤维棒纺丝纺膜，结晶温度设定为123℃，其他同实施例1。

采用接触角测试仪测量后，本对比例方法制备的聚乙烯纤维薄膜对水液滴的接触角为127°，滚动角＞10°，不能满足超疏水性能的要求。