[發明專利]超高分子量聚乙烯/石墨烯復合纖維制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201210078324.8
• 申請日: 2012-03-22
• 公開（公告）號: CN102618955A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 馬天;張建春;張濤;張華;高鵬剛;何錦風;陸國軍;馬永明;黃憶婷
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所;江蘇中益特種纖維有限公司
• 主分類號: D01F6/46
• 分類號: D01F6/46;D01F1/10;D01D5/40;F41H1/00;F41H1/02;F41H1/04
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;徐寧

技術領域

本發明涉及一種超高分子量聚乙烯/石墨烯復合纖維制備方法及其應用。

背景技術

從戰爭的對抗性來講，防彈裝備是與子彈類武器相伴相生的必然產物。目前，常規武器發展迅速，對單兵的威脅等級逐步提高，為提高單兵的防彈生存能力和戰場移動能力，必須發展輕質高效的防彈復合材料體系。

在單兵個體防護中，用于防彈的裝甲材料包括氧化鋁(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B₄C)、氮化硅(Si₃N₄)、二硼化鈦(TiB₂)等。其中最常用的為氧化鋁、碳化硅和碳化硼等，這些陶瓷材料的特點是密度小、硬度高、模量高；其中，Al₂O₃具有中等的密度、模量和硬度，原料易得，工藝成熟，采用高純度氧化鋁經過固相燒結工藝，可以得到適于防彈要求的低成本防彈陶瓷，在防彈性能和重量要求不高時，氧化鋁陶瓷是較好的選擇；SiC陶瓷的硬度、彈性模量較高、密度適中，整體防彈性能優于Al₂O₃陶瓷；但是，SiC陶瓷在實際中并沒有得到廣泛的應用，其較大的脆性是制約其應用的主要因素，同時，碳化硅的制備成本是氧化鋁的2～3倍，因此其性價比與氧化鋁相比不具備明顯的優勢。B₄C陶瓷密度最小、硬度最高，在防彈陶瓷中防彈性能最好，在以減重為前提的裝甲系統中和追求輕量化的個體防護插板中有其優越性。近年來，美國和歐洲等西方國家開發出適合人體外形曲線的大尺寸、整體B₄C復合防彈插板，與傳統塊狀陶瓷拼接的插板相比，整體插板不但降低了拼接、復合成本，同時也改善了防彈衣抵抗彈丸多次打擊的能力。但是，B₄C陶瓷的制備難度大，高溫致密化困難，主要靠熱壓燒結(＞2000℃)，生產效率低，成品價格昂貴，特別是大尺寸、弧面形狀產品的制備更加困難。

發明內容

本發明的目的是提供一種超高分子量聚乙烯/石墨烯復合纖維及其制備方法與應用。

本發明提供的復合纖維，由石墨烯與由超高分子量聚乙烯在100～200℃均聚而得的產物組成；所述超高分子量聚乙烯的重均分子量為1×10⁶～4×10⁶，具體為1×10⁶～3×10⁶；所述石墨烯為具有單層或多層結構的石墨烯粉末(下文可稱其為“所述石墨烯粉末”或“石墨烯粉末”)，其直徑為0.6～1.8μm，厚度為0.5～5nm。所述均聚步驟中，時間為1～4小時。

上述復合纖維中，所述石墨烯的直徑具體為0.8nm、1nm、0.6nm或1.8nm，厚度具體為0.5nm、5nm、1nm或2nm；所述石墨烯粉末的質量百分含量為0.01～5％，具體為0.1～2％，具體為0.1％、0.5％、1％或0.8％。所述石墨烯與所述由超高分子量聚乙烯在100～200℃均聚而得的產物以物理方式均勻混合；所述復合纖維的拉伸強度為1.8～3.0GPa，具體為1.8～2.5GPa，具體為1.9GPa、2.2GPa、2.4GPa或2.5G?Pa，拉伸模量為95～140GPa，具體為90～130GPa，具體為90GPa、110GPa、120GPa或130GPa，在氮氣氣氛中的熱分解溫度為370～420℃，具體為370～400℃，具體為370℃、380℃、390℃或400℃。

上述復合纖維也可按照下述本發明提供的方法制備而得。

本發明提供的制備所述復合纖維的方法，包括如下步驟：將石墨烯粉末進行表面凈化處理和偶聯處理后，均勻分散在含有超高分子量超高分子量聚乙烯的石蠟油或十氫萘中，在剪切條件下升溫至100～200℃進行均聚后得到凝膠，再將所述凝膠進行紡絲，得到所述復合纖維；

其中，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量為1×10⁶～4×10⁶，具體為1×10⁶～3×10⁶，更具體為2×10⁶、2.5×10⁶或3×10⁶；所述石墨烯粉末為市面銷售的普通石墨烯粉末，其直徑為0.6～1.8μm，厚度為0.5～5nm。上述方法中，制備該類復合纖維的關鍵是使石墨烯粉末在基體材料中均勻分散，而且與基體材料有較好的相容性，因而，需將石墨烯進行包括表面凈化處理和偶聯處理在內的前期處理；