一种高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维和制备方法与流程

1.本发明属于一种超高分子量聚乙烯纤维技术领域，具体是涉及到一种高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维和制备方法。


背景技术：

2.传统的高分子材质防弹衣，具有重量轻和舒适性好的优点，但没有很好的防辐射和电磁屏蔽功能，无法解决在战争中电磁辐射对军事人员健康伤害的问题。超高分子量聚乙烯纤维(uhmwpe)，又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，主要被用于防弹衣、防弹头盔、军用设施和设备的防弹装甲、航空航天等军事领域。
3.为了提高超高分子量聚乙烯纤维的导电性能，通常将导电材料添加到超高分子量聚乙烯中，专利公布号为cn102720066 a的专利公开了一种超高分子量聚乙烯/聚苯胺复合导电纤维的制备方法，具体实施过程：将纤维置于苯胺单体中0.5～2h，取出后均匀挤压，控制纤维与苯胺单体质量比为1:1～1:1.3；将纤维置于反应液中，反应液温度为10～35℃，反应0.5h～3h，制备得到表面含有均匀连续的聚苯胺导电层的纤维。上述技术方案获得了导电性能良好的复合纤维，可以制成具有抗静电，导电及电磁屏蔽功能的纺织品或纤维增强复合材料，应用于个体防护，军工，电子电器，石油化工，机械等领域。上述方案采用的导电高分子复合层是聚苯胺，其导电率低，因此制得的导电复合纤维的导电性比较差。另外，超高分子量聚乙烯表面的化学结构特殊性，对苯胺吸附效果一般不理想，导致聚合不均匀，因此需要对纤维表面进行表面处理，这样增加了工艺的复杂程度。
4.聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩)(pedot)是一种较好的导电高分子，具有成本低廉、柔韧性高、环境稳定性好、导电率高等特点，为了能够将pedot应用到纤维中，其一般采用的方法为，以聚乙烯醇(pva)为纺丝基体，聚(3,4
‑
乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(pedot:pss)水溶液为共混剂，二甲基亚砜(dmso)为掺杂剂提高pedot:pss的电导性质，通过静电纺丝制备pva/pedot:pss/dmso纳米纤维。但是如果将聚乙烯醇替换为超高分子量聚乙烯，采用上述方法制备附着有pedot的超高分子量聚乙烯纤维，由于一般采用的方法中所涉及到的pedot:pss是水分散液，用来作为水溶性pva的共混剂并没有什么问题，但是超高分子量聚乙烯所采取的纺丝溶剂为有机溶剂，而且是聚乙烯是疏水性材料，并且将pedot:pss共混于超高分子量聚乙烯纤维之中会破坏纤维的结构，降低其强度。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维和制备方法，其导电效果，同时强度高。
6.本发明包括一种高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维，超高分子量聚乙烯纤维通过烷基硫酸铁连接有聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩)导电层，即聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩)包裹在超高分子量聚乙烯纤维上。
7.所述烷基硫酸铁的碳原子数为5
‑
18，更优选为十二烷基硫酸铁。
8.所述超高分子量聚乙烯纤维的直径为2
‑
4微米。
9.本发明提供一种所述的高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，包括如下步骤，
10.将超高分子量聚乙烯纤维清洗(清洗的方法优选为，将超高分子量聚乙烯纤维放入乙醇(优选纯乙醇)中进行超声波清洗，以清除纤维表面的固体颗粒)，干燥，然后将烷基硫酸铁的醇溶液涂覆并包裹在超高分子量聚乙烯纤维上，去除多余溶液，然后将其置于含有3,4
‑
乙烯二氧噻吩单体的蒸汽中，气相聚合反应完成后，去除未反应的物质，干燥，得到高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维。
11.优选的，烷基硫酸铁的醇溶液的溶剂为碳原子数为1
‑
4的有机醇，优选为甲醇、乙醇、正丙醇或正丁醇。
12.优选的，烷基硫酸铁的醇溶液涂覆在超高分子量聚乙烯纤维上的方式为，将烷基硫酸铁的醇溶液滴加在超高分子量聚乙烯纤维上。
13.优选的，去除多余溶液的方法为，用刮刀刮除多余溶液，然后通风晾干。
14.优选的，去除多余溶液后，将涂覆有烷基硫酸铁的超高分子量聚乙烯纤维置于含有3,4
‑
二氧乙烯噻吩单体的气相合成反应室中，控制温度为30
‑
80℃，湿度为40
‑
60％，进行聚合反应，时间优选为30
‑
120min。
15.优选的，去除非反应的物质，干燥的方法为，将聚合反应完成后的物质加入到溶剂中(优选为醇溶液，更优选为甲醇或乙醇的溶液)中，浸泡，然后取出，置于80℃烘箱中烘干。
16.本发明的有益效果是，与现有技术相比，本技术合成了导电性更好，更稳定的一种导电高分子聚(3,4
‑
二氧乙烯噻吩)，另外，本技术创新性的采用了兼有表面活性剂和氧化剂特性的烷基硫酸铁，解决了超高分子量聚乙烯纤维表面不易涂敷的问题，因此不需要通过任何纤维表面处理，而直接就能涂敷和合成，这样可以保证纤维表面不会因为表面处理受到损伤而破坏其强度。
附图说明
17.图1为未处理的超高分子量聚乙烯纤维的sem图。
18.图2为本发明的高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维的sem图。
19.图3为本发明的高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维的拉曼光谱图。
具体实施方式
20.实施例1
21.一种高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维的制备方法，步骤为，
22.将超高分子量聚乙烯纤维束(直径为2
‑
4微米的纤维丝40根)在纯乙醇中进行超声波清洗，以清除纤维表面的固体颗粒，清洗完毕后将纤维进行干燥，干燥完毕后将纤维束固定在玻璃支撑台上，将十二烷基硫酸铁的甲醇溶液(质量浓度为20wt％)用滴管滴在超高分子量聚乙烯纤维(总长为1.2米)上，然后用直径为2cm的圆柱形刮刀进行刮涂，可将多余的十二烷基硫酸铁的甲醇溶液刮离超高分子量聚乙烯纤维，使得十二烷基硫酸铁的甲醇溶液均匀涂敷于超高分子量聚乙烯纤维的表面。
23.将涂敷好的纤维在通风厨内晾干5分钟。
24.将晾干好的涂敷有十二烷基硫酸铁的纤维置于放有3,4
‑
二氧乙烯噻吩单体气相合成反应室中进行合成，反应室中已经提前设定好温度(50℃)和湿度(50％)，反应时间为60min。
25.将合成完毕后的产品取出，置于乙醇溶剂中浸泡5分钟，以去除未反应完全的烷基硫酸铁和3,4
‑
二氧乙烯噻吩单体。
26.将浸泡过的产品置于80℃的烘箱中进行烘干，时间为60min，得到最终产品。
27.采用扫描电镜，电子显微镜，导电率测试仪器，拉曼等对样品进行测试。该样品的导电率约为2.03
×
103s/cm。
28.本发明对未处理的超高分子量聚乙烯纤维和本发明的高强度高导电超高分子量聚乙烯复合纤维在导电率、断裂强度和伸长率性能上进行了比较，得到如表1所示的数据。
29.表1 超高分子量聚乙烯纤维与复合纤维的比较
[0030][0031]
为了说明本技术的不同的反应条件对产物性能的影响，本技术检测了十二烷基硫酸铁的甲醇溶液的十二烷基硫酸铁的质量浓度和气相合成反应中反应时间对产物的影响，得到如表1
‑
2的数据。
[0032]
表2 反应时间对导电性和强度的影响(氧化剂浓度为20wt％)
[0033]
反应时间/min导电率/(s
·
cm
‑1)断裂强度/(cn/dtex)伸长率/(％)303.12
×
10331.102.38602.03
×
10330.982.41901.58
×
10330.882.521201.32
×
10330.622.72
[0034]
表3 氧化剂浓度对导电性和强度的影响(反应时间为60min)
[0035]
氧化剂浓度/(wt％)导电率/(s
·
cm
‑1)断裂强度/(cn/dtex)伸长率/(％)5不导电30.962.27202.03
×
10330.982.41301.29
×
10330.762.48500.93
×
10330.382.53
[0036]
导电率测定方法：采用超高分子量聚乙烯薄片作为基底，以合成导电复合纤维的条件在超高分子量聚乙烯薄片基底上合成聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩)薄膜，利用四点探针法测试其电阻和椭偏仪测试其厚度，最终薄膜的导电率可由公式(1)进行计算：
[0037][0038]
其中，r
sq
是导电薄膜的面电阻，单位为ω/sq，t是导电薄膜的厚度(该导电薄膜的厚度为20nm～1μm)。因此，复合导电纤维中聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩)涂层的导电率可近似等于上述相同条件制得薄膜的导电率。
[0039]
断裂强度与伸长率可以用纤维拉伸仪器进行测试：首先将1.2米长的导电复合纤维固定在牵引端上，在电脑程序的操作下牵引拉伸复合纤维直至程序软件得到完整的拉伸数据。
[0040]
对比例1
[0041]
和实施例1相比，区别在于十二烷基硫酸铁的甲醇溶液(质量浓度为20wt％)替换为十二烷基磺酸铁的丁醇溶液(质量浓度为20wt％)，其他反应步骤和实施例1相同。
[0042]
测量产物的性能，得到如表4所示数据。
[0043]
表4 对比例1的性能测试数据
[0044]
物质导电率/(s
·
cm
‑1)断裂强度/(cn/dtex)伸长率/(％)对比例12.13
×
10331.022.42
[0045]
本发明相对于采用其他的硫酸铁的醇溶液，在导电率上具有明显优于对比例1。
[0046]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0047]
本技术中一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。