本发明涉及一种基于石墨烯的功能性高强度高模量聚乙烯纤维的制备方法。
背景技术：
超高分子量聚乙烯纤维(uhmwpe纤维)又称高强度高模量聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维，具有高强度、高模量、耐腐蚀、密度低等特性，和碳纤维、芳纶并称三大高性能纤维。并且uhmwpe纤维是比强度最高的商业化高性能纤维。但是由于其具有接近理论极限强度的分子结构，平面锯齿形的构象结构，较少的侧链基团，结晶度高且分子链内无较强的结合键。导致其在应力作用下易发生蠕变，在持续受力作用下发生形变，且结构具有化学惰性，表面极性较低，难以形成复合材料，大大限制了该纤维的应用。
虽然uhmwpe纤维在安全防护、航空航天航海、电子、兵器、造船、建材、体育、医疗等诸多领域，但是产品的应用领域和范围还有待扩展，发展差异化和高附加值的产品，可实现我国化纤行业由“数量型”向“技术品种效益型”转变，并在市场竞争中不断发展壮大。
石墨烯及其氧化物具有优异的电学、热学、力学和光学性能。石墨烯是世界上最薄的材料，它只有单层原子的厚度，约为0.335nm。电阻率为10－6ω/cm，为目前世界上电阻率最小的材料。导热系数高达5300w/m·k，常温下电子迁移率超过15000cm2/v·s，比碳纳米管和单晶硅高。杨氏模量为1.1tpa，断裂强度高达130gpa。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种产品切割指数高、性能优异、易操作的基于石墨烯的功能性高强度高模量聚乙烯纤维的制备方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于石墨烯的功能性高强度高模量聚乙烯纤维的制备方法，其特征是：包括下列步骤：
(1)制备改性还原氧化石墨烯-白油混合液：
a)取相当于氧化石墨烯质量0.5-3％的硅烷偶联剂，与乙醇按1:20的体积比配制成混合液；
b)将氧化石墨烯加入步骤a)的混合溶液中，60-90℃温度下，超声30-90分钟，120-150℃烘干，得改性氧化石墨烯；
c)将步骤b)所制得的改性氧化石墨烯，在150-200℃范围内，于聚四氟乙烯反应釜中，水热还原5-8h，60-80℃烘干，得到改性还原氧化石墨烯；
d)将步骤c)所得到的改性还原氧化石墨烯，在白油中超声分散30分钟，加入分散剂，继续超声3-8小时，得到分散稳定的改性还原氧化石墨烯-白油混合液；
(2)制备基于石墨烯的高强高模量聚乙烯复合材料：
a)将超高分子量聚乙烯在超声波状态下加入改性还原氧化石墨烯-白油混合液中，其中改性还原氧化石墨烯的质量为超高分子量聚乙烯质量的0.6～2％；经乳化机高速剪切搅拌，高速剪切搅拌的速度为1000-3000r/min，搅拌时间为2～4小时，混合均匀得到第一纺丝溶液(第一纺丝溶液中还原氧化石墨烯和超高分子量聚乙烯的总重量所占纺丝溶液的质量百分数为10～20％)；
b)将步骤a)得到的第一纺丝溶液在0～5℃下放置6～18小时，得到第二纺丝溶液；
c)将步骤b)中的第二纺丝溶液室温下放置24小时后，继续加入溶剂白油，得到质量浓度为6％～10％的第三纺丝溶液(第三纺丝溶液中还原氧化石墨烯和超高分子量聚乙烯的总重量所占纺丝溶液的质量百分数为6～10％)；
d)将步骤c)中的第三纺丝溶液采用冻胶纺丝法，纺丝温度为220～280℃，纺丝后经萃取和热牵伸得到复合纤维。
所述分散剂为at-80或lw。
本发明可明显改善产品耐切割性，并使产品具有优异的抗静电性能、抗菌性能。
产品性能表
上表中所述石墨烯添加量/％，是指步骤(2)a)中改性还原氧化石墨烯的质量相对于超高分子量聚乙烯质量的百分数。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1：
一种基于石墨烯的功能性高强度高模量聚乙烯纤维的制备方法，包括下列步骤：
(1)制备改性还原氧化石墨烯-白油混合液：
a)取相当于氧化石墨烯质量1.5％的硅烷偶联剂，与乙醇按1:20的体积比配制成混合液；
b)将氧化石墨烯加入步骤a)的混合溶液中，80℃温度下，超声50分钟，135℃烘干，得改性氧化石墨烯；
c)将步骤b)所制得的改性氧化石墨烯，在180℃，于聚四氟乙烯反应釜中，水热还原6h，70℃烘干，得到改性还原氧化石墨烯；
d)将步骤c)所得到的改性还原氧化石墨烯，在白油中超声分散30分钟，加入分散剂at-80，继续超声5小时，得到分散稳定的改性还原氧化石墨烯-白油混合液；
(2)制备基于石墨烯的高强高模量聚乙烯复合材料：
a)将超高分子量聚乙烯在超声波状态下加入改性还原氧化石墨烯-白油混合液中，其中改性还原氧化石墨烯的质量为超高分子量聚乙烯质量的1％；经乳化机高速剪切搅拌，高速剪切搅拌的速度为2000r/min，搅拌时间为3小时，混合均匀得到第一纺丝溶液(第一纺丝溶液中还原氧化石墨烯和超高分子量聚乙烯的总重量所占纺丝溶液的质量百分数为15％)；
b)将步骤a)得到的第一纺丝溶液在3℃下放置10小时，得到第二纺丝溶液；
c)将步骤b)中的第二纺丝溶液室温下放置24小时后，继续加入溶剂白油，得到第三纺丝溶液(第三纺丝溶液中还原氧化石墨烯和超高分子量聚乙烯的总重量所占纺丝溶液的质量百分数为8％)；
d)将步骤c)中的第三纺丝溶液采用冻胶纺丝法，纺丝温度为250℃，纺丝后经萃取和热牵伸得到复合纤维。所述分散剂为at-80或lw。
实施例2：
一种基于石墨烯的功能性高强度高模量聚乙烯纤维的制备方法，其特征是：包括下列步骤：
(1)制备改性还原氧化石墨烯-白油混合液：
a)取相当于氧化石墨烯质量0.6％的硅烷偶联剂，与乙醇按1:20的体积比配制成混合液；
b)将氧化石墨烯加入步骤a)的混合溶液中，70℃温度下，超声40分钟，150℃烘干，得改性氧化石墨烯；
c)将步骤b)所制得的改性氧化石墨烯，在160℃范围内，于聚四氟乙烯反应釜中，水热还原7h，65℃烘干，得到改性还原氧化石墨烯；
d)将步骤c)所得到的改性还原氧化石墨烯，在白油中超声分散30分钟，加入分散剂lw，继续超声7小时，得到分散稳定的改性还原氧化石墨烯-白油混合液；
(2)制备基于石墨烯的高强高模量聚乙烯复合材料：
a)将超高分子量聚乙烯在超声波状态下加入改性还原氧化石墨烯-白油混合液中，其中改性还原氧化石墨烯的质量为超高分子量聚乙烯质量的0.8％；经乳化机高速剪切搅拌，高速剪切搅拌的速度为2500r/min，搅拌时间为4小时，混合均匀得到第一纺丝溶液(第一纺丝溶液中还原氧化石墨烯和超高分子量聚乙烯的总重量所占纺丝溶液的质量百分数为12％)；
b)将步骤a)得到的第一纺丝溶液在1℃下放置7小时，得到第二纺丝溶液；
c)将步骤b)中的第二纺丝溶液室温下放置24小时后，继续加入溶剂白油，得到第三纺丝溶液(第三纺丝溶液中还原氧化石墨烯和超高分子量聚乙烯的总重量所占纺丝溶液的质量百分数为7％)；
d)将步骤c)中的第三纺丝溶液采用冻胶纺丝法，纺丝温度为220～280℃，纺丝后经萃取和热牵伸得到复合纤维。