本发明属于先进复合材料领域，特别涉及一种制备中强纤维的复合材料及其快速成型方法。
背景技术：
超高分子量聚乙烯(ultrahighmolecularweightpolyethylenefiber简称为uhmwpe)纤维是以分子量为100～500万甚至更高的粉状uhmwpe树脂为原料，现主要采用凝胶纺丝法制成。uhmwpe纤维中大分子有高度的取向性且呈伸直链结构，具有很高的结晶度，因而拥有极高的强度和模量。其密度只有0.97g/cm3，故具有质轻的优良特性；很强的化学惰性使其在强酸、强碱溶液及有机溶剂等条件下，强度几乎没有变化；同时具有很好的耐紫外、耐低温等耐候性；此外，uhmwpe纤维具有优异的耐磨、抗张力疲劳性能、抗切割性能，与碳纤维、芳纶并称为当今世界三大高性能纤维。
凝胶纺丝法生产高强高模uhmwpe纤维过程中，需要使用大量的溶剂使大分子链溶胀，需要复杂的溶剂回收工艺及设备，致使生产效率低、生产成本高，制约了uhmwpe纤维的发展。当前由凝胶纺丝法生产的高强高模uhmwpe纤维主要用于制造防刺服、防弹衣、防弹头盔等国防军工、航空航天等高附加值领域使用领域。在民用、工业、工程领域虽有很大的需求，但因其高昂的成本大大制约了uhmwpe纤维的发展。
通过熔融的方法直接生产uhmwpe纤维，较之于传统的凝胶纺丝法，可省去其中的溶解、萃取、干燥等步骤，装置及工艺更为简单方便，易于工业化生产。另外，此法还将会大大提高uhmwpe纤维的生产速度，同时会大幅度降低成本。通过熔融直接挤出原丝而后经过多倍热拉伸的方法制备uhmwpe纤维的技术具有巨大的市场空间。可用于防切割手套等防护用品，海洋工程用绳缆及鱼线、渔网，体育用品及复合材料等领域。因而可以促进其在民用及工业领域的发展，拓宽其应用领域，军转民市场前景广阔。
但是，uhmwpe的分子量极大，相互缠结的分子链段使其熔体粘度极高，对热剪切极不敏感，临界剪切速率极低，很难在熔体状态下使大分子链充分解缠，然后使之取向性排列，因而难以通过熔融直接挤出原丝而后经过多倍热拉伸的方法成型。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备中强纤维的复合材料及其快速成型方法和应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种制备中强纤维的复合材料，其特征在于，包括以下重量份组分：
所述的流动改性剂是按照以下重量份组分，在混合釜中混合均匀制得：
热致液晶高分子聚合物10～100份；
接枝改性聚乙烯100份。
所述的热致液晶高分子聚合物，包括聚酰胺类、聚硅氧烷类、聚碳酸酯类、聚氨酯类、纤维素类的热致液晶高分子，且熔点范围为130℃～240℃。
所述的接枝改性聚乙烯为接枝极性基团的聚乙烯粉料，极性基团包括以马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸为单体进行聚合接枝而得到的极性基团。
所述的超高分子量聚乙烯为分子量分布≦4.8，且粘均分子量为100万～600万。
所述的润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、氯化石蜡、硬脂酸、羟基硬脂酸、硬脂酸正丁酯、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸锌、硅酮、介酸酰胺、硬脂酰胺、油酸酰胺中的一种或几种。
所述的聚烯烃为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚乙烯弹性体、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物、乙烯与α烯烃共聚物中的一种或几种，其重均分子量为6-30万，熔融指数≥3.0g/10min，测试条件：190℃，2.16kg。
所述的抗氧剂至少包括受阻酚类抗氧剂中的一种，所述受阻酚类抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂264、抗氧剂2246、抗氧剂425、抗氧剂702、抗氧剂220、抗氧剂330、抗氧剂1330、抗氧剂ca、抗氧剂3114。可同时添加硫代酯类或亚磷酸酯类的辅助抗氧剂，如抗氧剂168、ps802、抗氧剂tnp、抗氧剂626、硫代二丙酸二月桂酯、硫代二丙酸双十八酯、抗氧剂odp、抗氧剂dstdp、抗氧剂dltdp或抗氧剂p-efq。
上述制备中强纤维的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将超高分子量聚乙烯与流动改性剂混合制得组分a；而后将润滑剂与聚烯烃通过混合釜进行混合制得组分b；最后将组分a、组分b、抗氧剂一起混合均匀制得复合材料。
上述制备中强纤维的复合材料的应用，其特征在于，将复合材料用于制备中强纤维，具体方法包括以下步骤：
(1)将复合材料通过单螺杆挤出机挤出，然后通过喷丝模头形成原丝；
(2)原丝在110℃～150℃的温度下，经过多倍热拉伸，卷绕后制备成中强纤维。
步骤(1)所述的单螺杆挤出机的螺杆长径比范围为20～30、压缩比为1.5～5，喷丝模头的温度为150～250℃。
步骤(2)所述的热拉伸为8～64倍的热拉伸。原丝的成型速度为10～100m/h；所得中强纤维的拉伸强度为10～30cn/dtex。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)没有溶解、萃取、干燥等步骤，使得本发明的设备及工艺简单易行，生产效率大幅度提升；
(2)本发明不需要使用溶剂，比现有的生产制备方法——凝胶纺丝法绿色环保，且生产制备成本大幅度降低。
(3)通过本发明制备的uhmwpe纤维依然具有优异的力学性能，拉伸强度高于高强聚酯纤维及高强聚酰胺纤维，能够用于生产渔网、绳缆、防切割手套、填充纤维材料等民用及工业用领域，替代尼龙，具有广阔的市场。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。以下实施例中如无特殊说明书，所用组分的用量均为重量份。
实施例1
(1)将10份聚碳酸酯类热致液晶高分子(熔点为138℃的)，100份用马来酸酐接枝的聚乙烯置于混合釜中混合均匀，制得流动改性剂。其中聚碳酸酯类热致液晶高分子的结构式为：
(2)将100份超高分子量聚乙烯(分子量分布为4.8、粘均分子量为102万)与1份步骤(1)中制得的流动改性剂混合均匀制得组分a；将0.1份聚乙烯蜡，1份低密度聚乙烯(熔融指数27g/10min)在混合釜中混合均匀制得组分b；将组分a与组分b及0.1份抗氧剂1010混合均匀，制得复合专用料。
(3)将制得的中强纤维的复合专用料通过长径比为20、压缩比为1.5的单螺杆挤出机，在150～230℃的温度下通过喷丝模头挤出成原丝，原丝的成型速度为86m/h，再经过8倍的热拉伸，最后卷绕形成制品。
实施例2
(1)将100份聚酰胺类热致液晶高分子聚合物(羟基苯甲酸、对苯二酚、葵二酸的共聚酯)(熔点为239℃)，100份用甲基丙烯酸的聚乙烯置于混合釜中混合均匀，制得流动改性剂。
(2)将100份超高分子量聚乙烯(分子量分布为4.2、粘均分子量为596万)与40份步骤(1)中制得的流动改性剂混合均匀制得组分a；将10份聚乙烯蜡和油酸酰胺的混合物，40份高密度聚乙烯(熔融指数18g/10min)在混合釜中混合均匀制得组分b；将组分a与组分b及1份抗氧剂1076混合均匀，制得复合专用料。
(3)将制得的中强纤维的复合专用料通过长径比为30、压缩比为5的单螺杆挤出机，在150～230℃的温度下通过喷丝模头挤出成原丝，原丝的成型速度为26m/h，再经过64倍的热拉伸，最后卷绕形成制品。
实施例3
(1)将50份聚酰胺类热致液晶高分子聚合物(羟基苯甲酸、对苯二酚、葵二酸的共聚酯)(熔点为239℃)，100份用甲基丙烯酸甲酯接枝的聚乙烯置于混合釜中混合均匀，制得流动改性剂。
(2)将100份超高分子量聚乙烯(分子量分布为4.3、粘均分子量为250万)与20份步骤(1)中制得的流动改性剂混合均匀制得组分a；将5份硬脂酸钙和硬脂酸镁的混合物，20份高密度聚乙烯(熔融指数18g/10min)在混合釜中混合均匀制得组分b；将组分a与组分b及0.5份抗氧剂264混合均匀，制得复合专用料。
(3)将制得的中强纤维的复合专用料通过长径比为25、压缩比为2的单螺杆挤出机，在150～230℃的温度下通过喷丝模头挤出成原丝，原丝的成型速度为42m/h，再经过32倍的热拉伸，最后卷绕形成制品。
实施例4
(1)将30份聚氨酯类热致液晶高分子聚合物(3,3’–二甲基–4,4’–联苯二异氰酸酯与葵二醇缩聚物)(熔点为217℃)，100份用马来酸酐接枝的聚乙烯置于混合釜中混合均匀，制得流动改性剂。
(2)将100份超高分子量聚乙烯(分子量分布为4.3、粘均分子量为250万)与10份步骤(1)中制得的流动改性剂混合均匀制得组分a；将5份介酸酰胺、硬脂酸钙、硬脂酸镁的混合物，10份高密度聚乙烯(熔融指数3g/10min)在混合釜中混合均匀制得组分b；将组分a与组分b及0.5份抗氧剂1010与抗氧剂ps802的复配抗氧剂(其中抗氧剂1010比例为50％)混合均匀，制得复合专用料。
(3)将制得的中强纤维的复合专用料通过长径比为22、压缩比为3.8的单螺杆挤出机，在150～230℃的温度下通过喷丝模头挤出成原丝，原丝的成型速度为66m/h，再经过64倍的热拉伸，最后卷绕形成制品。
实施例5
(1)将80份3,3’–二甲基–4,4’–联苯二异氰酸酯与葵二醇缩聚物热致液晶高分子聚合物(熔点为217℃)，100份用丙烯酸接枝的聚乙烯置于混合釜中混合均匀，制得流动改性剂。
(2)将100份超高分子量聚乙烯(分子量分布为4.5、粘均分子量为150万)与20份步骤(1)中制得的流动改性剂混合均匀制得组分a；将5份介酸酰胺、硬脂酸钙、硬脂酸镁的混合物，20份高密度聚乙烯与低密度聚乙烯的混合物(熔融指数9.5g/10min)置于混合釜中混合均匀制得组分b；将组分a与组分b及0.5份抗氧剂混合均匀，制得复合专用料。
(3)将制得的中强纤维的复合专用料通过长径比为22、压缩比为3.8的单螺杆挤出机，在150～230℃的温度下通过喷丝模头挤出成原丝，原丝的成型速度为82m/h，再经过24倍的热拉伸，最后卷绕形成制品。
实施例6
(1)将20份熔点为180℃的聚硅氧烷类热致液晶高分子聚合物，100份用甲基丙烯酸接枝的聚乙烯置于混合釜中混合均匀，制得流动改性剂。其中聚硅氧烷热致液晶高分子的结构式为：
(2)将100份超高分子量聚乙烯(分子量分布为4.5、粘均分子量为150万)与20份步骤(1)中制得的流动改性剂混合均匀制得组分a；将5份油酸酰胺、硬脂酸钙、硬脂酸镁的混合物，10份高密度聚乙烯-聚丙烯-乙烯丙烯共聚物的混合物(熔融指数3g/10min)置于混合釜中混合均匀制得组分b；将组分a与组分b及0.2份抗氧剂混合均匀，制得复合专用料。
(3)将制得的中强纤维的复合专用料通过长径比为22、压缩比为3.8的单螺杆挤出机，在150～230℃的温度下通过喷丝模头挤出成原丝，原丝的成型速度为82m/h，再经过54倍的热拉伸，最后卷绕形成制品。
实施实例所得纤维力学性能测试数据，测试方法根据国标高强化纤长丝拉伸性能试验方法gb/t1995-2005：